BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TỐNG THỊ LÝ
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG VẬN CHUYỂN
VẬT LIỆU DẠNG BĂNG
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Hà Nội - 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TỐNG THỊ LÝ
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG VẬN CHUYỂN
VẬT LIỆU DẠNG BĂNG
Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9520216
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. TS. Dương Minh Đức
2. PGS.TS. Nguyễn Tùng Lâm
Hà Nội - 2021
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng
dẫn của tập thể hướng dẫn. Tài liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ.
Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác
công bố.
Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2021
Tập thể hướng dẫn khoa học
TS. Dương Minh Đức
PGS.TS. Nguyễn Tùng Lâm
Nghiên cứu sinh
Tống Thị Lý
i
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn TS. Dương Minh Đức
và PGS.TS. Nguyễn Tùng Lâm, những người đã tận tình hướng dẫn chuyên môn và
bổ sung kịp thời những kiến thức liên quan.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn tới PGS.TS. Trần Trọng Minh và PGS.TS.
Bùi Quốc Khánh đã góp ý về công nghệ thực tiễn, động viên tác giả trong những lúc
gặp khó khăn khi tiếp cận với hệ thống mà mình nghiên cứu.
Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn đến TS. Nguyễn Danh Huy đã góp ý và hướng
dẫn tác giả trong quá trình làm thực nghiệm.
Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất cả các giảng viên, các cán bộ
kỹ thuật thuộc bộ môn Tự động hóa Công nghiệp - viện Điện, trường Đại học Bách
khoa Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ, có những đóng góp chuyên môn quý báu và tạo
mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận án này.
Tác giả cũng xin cảm ơn tới Đảng ủy, Ban giám hiệu và các đồng nghiệp tại Khoa
Điện trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả sắp
xếp thời gian vừa hoàn thành nhiệm vụ chuyên môn vừa hoàn thành luận án của mình.
Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cảm ơn tới chồng, hai con cùng toàn thể gia đình,
bạn bè đã hết lòng ủng hộ, chia sẻ cả về tinh thần và vật chất để tác giả hoàn thành
tốt luận án này.
Tác giả luận án
ii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..........................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. ii
MỤC LỤC ................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ...................................................vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU .........................................................................................ix
DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................................ x
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................................... 1
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 2
3. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ 2
4. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 2
5. Những đóng góp mới của luận án ........................................................................ 2
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................................. 3
7. Bố cục và nội dung của luận án ........................................................................... 3
CHƯƠNG 1 ................................................................................................................... 5
TỔNG QUAN VỀ HỆ VẬN CHUYỂN VẬT LIỆU DẠNG BĂNG ........................ 5
1.1 Khái quát đối tượng nghiên cứu ........................................................................ 5
1.1.1 Giới thiệu chung ....................................................................................... 5
1.1.2 Cấu tạo và phân loại ................................................................................. 9
1.1.3 Yêu cầu chung cho bài toán điều khiển WTS ........................................ 13
1.2 Tổng quan về các hướng nghiên cứu cho WTS của luận án ........................... 15
1.2.1 Tổng quan về mô hình hóa WTS ........................................................... 15
1.2.2 Tổng quan về phương pháp điều khiển .................................................. 18
1.3 Đề xuất phương hướng thực hiện .................................................................... 21
1.4 Kết luận chương 1 ............................................................................................ 22
CHƯƠNG 2 ................................................................................................................. 23
MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO HỆ VẬN CHUYỂN VẬT LIỆU DẠNG BĂNG .. 23
2.1 Nguyên lý vận chuyển vật liệu dạng băng của WTS ....................................... 23
2.1.1 Nguyên lý vận chuyển của lô vật liệu và lô dẫn .................................... 24
2.1.2 Lực căng, độ trượt và độ nổi .................................................................. 26
2.1.3. Vận tốc vận chuyển vật liệu .................................................................. 27
2.1.4. Mô men đầu vào của hệ thống .............................................................. 27
2.2 Tính toán động lực học cho WTS .................................................................... 27
iii
2.2.1 Động lực học của đoạn vật liệu giữa hai lô ............................................ 28
2.2.2 Động lực học của lô ............................................................................... 32
2.3 Các bước tổng hợp mô hình toán học cho WTS .............................................. 36
2.3.1 Mô hình tổng quát cho hệ có nhiều lô dẫn ............................................. 37
2.3.2 Mô hình toán học cho một số WTS điển hình ....................................... 38
2.3.3 Nhận xét chung ...................................................................................... 41
2.4 Xét ảnh hưởng của tham số mô hình ............................................................... 43
2.4.1 Mô đun đàn hồi ...................................................................................... 43
2.4.2 Kích thước đoạn vật liệu vận chuyển ..................................................... 44
2.4.3 Hình dáng kích thước và thông số lô ..................................................... 45
2.4.4 Hệ số cản ................................................................................................ 46
2.5 Giới hạn bài toán .............................................................................................. 46
2.6 Lựa chọn và xây dựng mô hình vật lý hệ cuộn ................................................ 50
2.7 Kết luận chương 2 ............................................................................................ 51
CHƯƠNG 3 ................................................................................................................. 53
ĐIỀU KHIỂN LỰC CĂNG CHO HỆ VẬN CHUYỂN VẬT LIỆU DẠNG BĂNG
................................................................................................................... 53
3.1 Yêu cầu công nghệ và phương pháp điều khiển .............................................. 53
3.2 Điều khiển back-stepping cho WTS ................................................................ 54
3.2.1Tổng quát hóa các bước thiết kế theo phương pháp back-stepping ........ 54
3.2.2 Back-stepping cho WTS cơ bản ............................................................. 55
3.2.3 Các bước thiết kế.................................................................................... 56
3.2.4 Cấu trúc của bộ điều khiển ..................................................................... 58
3.2.5 Kết quả mô phỏng và nhận xét đánh giá ................................................ 59
3.3 Điều khiển back-stepping kết hợp bộ quan sát lực căng ................................. 62
3.3.1 Đặt vấn đề .............................................................................................. 62
3.3.2 Thiết kế bộ điều khiển kết hợp bộ quan sát lực căng ............................. 63
3.4 Kết quả thực nghiệm ........................................................................................ 71
3.5 Kết luận ............................................................................................................ 74
CHƯƠNG 4 ................................................................................................................. 76
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ VẬN CHUYỂN VẬT LIỆU
DẠNG BĂNG .............................................................................................................. 76
4.1 Phân tích thành phần bất định và môt số giải pháp bù .................................... 76
4.1.1 Phân tích một số yếu tố bất định và biến thiên của tham số mô hình .... 76
4.1.2 Một số giải pháp bù nâng cao chất lượng .............................................. 76
iv
4.2 Nâng cao chất lượng bộ điều khiển bền vững tích hợp thuật toán DSC.......... 77
4.2.1 Các bước thiết kế bộ điều khiển sử dụng thuật toán DSC ..................... 77
4.2.2 Sơ đồ khối bộ điều khiển bền vững tích hợp thuật toán DSC................ 85
4.2.3 Kết quả mô phỏng kiểm chứng, nhận xét .............................................. 85
4.3 Nâng cao chất lượng bằng bộ điều khiển thích nghi tích hợp RBF ................. 89
4.3.1 Tổng quát về mạng Neural RBF ............................................................ 89
4.3.2 Thiết kế điều khiển ................................................................................. 90
4.3.3 Cấu trúc bộ điều khiển thích nghi kết hợp thuật toán RBF.................... 98
4.3.4 Kết quả mô phỏng .................................................................................. 99
4.5 Kết luận chương 4 ..........................................................................................103
KÊT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................104
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .................106
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................108
PHỤ LỤC A ..............................................................................................................114
PHỤ LỤC B ...............................................................................................................118
PHỤ LỤC C ..............................................................................................................123
v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
1. Danh mục các từ viết tắt
Ý nghĩa
STT
Từ viết tắt
1
WTS
2
ADRC
3
DSC
Dynamic Surface Control
4
GAS
Globally Asymptotically Stable
5
MIMO
Multiple Input Multiple Output
6
PI-LVD
Proportional Integral -Linear Parameter Varying
7
PE/PET
Polyethylene /Polyethylene terephthalate
8
RBF
Radial Basis Function
9
TH1
Trường hợp 1
10
TH2
Trường hợp 2
11
TH3
Trường hợp 3
Web Transport System
Active Disturbance Rejection Control
vi
2. Danh mục các ký hiệu
STT
Ký Hiệu
Đơn vị
Ý Nghĩa
01
ti
N
Lực căng trung bình trên đoạn vật liệu có chỉ số i
02
Td
N
Lực căng trên đoạn vật liệu
03
t
s
Biến thời gian
04
ωi
rad/s
Vận tốc góc lô thứ i
05
ωu
rad/s
Vận tốc góc của lô tở
06
vi
m/s
Vận tốc lô thứ i
07
vu
m/s
Vận tốc dài tại điểm vật liệu rời khỏi lô tở
08
vr
m/s
Vận tốc dài tại điểm vật liệu bắt đầu đi vào lô cuộn lại
09
Vd
m/s
Vận tốc đặt tại lô dẫn thứ i
10
Mr
Nm
Mô men của lực căng tác dụng lên lô tở
11
Mu
Nm
Mô men cản do lực ma sát giữa trục lô và ổ đỡ tác dụng
lên trục lô.
12
E
N/m2
Mô đun đàn hồi của vật liệu
13
L
m
Chiều dài dọc theo hướng biến dạng của phân tố khối
lượng vật liệu sau khi biến dạng
14
Li
m
Độ dài đoạn vật liệu giữa hai lô liên tiếp
15
L0
m
Chiều dài ban đầu dọc theo hướng biến dạng của phân
tố khối lượng vật liệu web khi chưa biến dạng
16
ρ0
kg/m3
Khối lượng riêng trước biến dạng
17
ρ
kg/m3
Khối lượng riêng sau biến dạng
18
q
kg
Khối lượng đơn vị di chuyển qua mặt cắt vật liệu khi vật
liệu biến dạng- dòng khối lượng
19
S
m2
Diện tích toàn phần của phân tố khối lượng vật liệu
20
dS
m2
Vi phân diện tích của bề mặt - mặt cắt vật liệu vuông
góc với hướng biến dạng
21
dm
kg
Vi phân khối lượng của đoạn vật liệu
vii
m3
Thể tích của phân tố khối lượng của đoạn vật liệu
22
dV
23
ε
24
J
kg/s
25
a
m
Độ dày mỗi lớp vật liệu
26
w
m
Chiều rộng lô tở
27
ru
m
Hàm bán kính theo thời gian của lô tở
28
rr
m
Hàm bán kính theo thời gian của lô cuộn lại
29
Rr
m
Bán kính ban đầu lô cuộn
30
Ru
m
Bán kính ban đầu lô tở
31
Ju0
kg.m2
Mô men quán tính đối với lô vật liệu có lõi bằng thép
32
Jr0
kg.m2
Mô men quán tính của lõi thép của lô cuộn lại
33
β
rad
34
𝑏𝑏𝑓𝑓𝑟𝑟
Nm.s
Hệ số cản giữa trục lô cuộn lại và ổ đỡ
bfi
Nm.s
Hệ số cản giữa trục lô dẫn thứ i và ổ đỡ của nó
𝑏𝑏𝑓𝑓𝑢𝑢
Nm.s
Hệ số cản giữa ổ đỡ và trục lô
35
36
Độ biến dạng vật liệu
Tổng thông lượng khối truyền qua một tiết diện xác định
Góc ôm giữa vật liệu và lô thép
viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình hóa WTS............................................ 15
Bảng 2.1: Các thông số cơ bản của mô hình ............................................................ 43
Bảng 2.2: Giá trị mô đun dàn hồi theo một số vật liệu cơ bản (nguồn: [1]) ............ 44
Bảng 2.3: Thông số mô hình WTS (nguồn:[19]) ..................................................... 46
Bảng 2.4 Giá trị lực căng đặt và vận tốc dài đặt cho mô hình WTS ........................ 50
Bảng 3.1 Thông số bộ điều khiển cho mô phỏng bộ điều khiển thiết kế theo 3.2 ... 59
Bảng 3.2 Sai lệch lực căng khi mô hình có thông số chứa thành phần bất định ...... 70
Bảng 3.3 Đánh giá sai lệch kết quả thực nghiệm ..................................................... 74
Bảng 4.1 Thông số bộ điều khiển cho mô phỏng bộ điều khiển thiết kế theo 3.2 ... 85
Bảng 4.2 Sai lệch lực căng khi mô hình có thông số chứa thành phần bất định ...... 88
Bảng 4.3 Thông số bộ điều khiển cho mô phỏng bộ điều khiển thiết kế theo 3.2 ... 99
Bảng 4.4 Sai lệch lực căng khi mô hình có thông số chứa thành phần bất định .... 102
ix
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1
Các ứng dụng WTS trong thực tế (nguồn: [5],[6]) ................................... 5
Hình 1.2
WTS trong giờ làm việc tại nhà máy giấy An Hòa (nguồn: [7]).............. 6
Hình 1.3
Vai trò của xử lý WTS trong sản xuất năng lượng tái tạo (nguồn: [9]) ... 7
Hình 1.4
Xu hướng vật liệu được ứng dụng trong ngành điện tử (nguồn: [11]) ..... 8
Hình 1.5
Quá trình ép nguội sản xuất pin năng lượng mặt trời (nguồn: [12]) ....... 8
Hình 1.6
Mô hình thực nghiệm cho WTS (nguồn: [13])......................................... 9
Hình 1.7
Mô hình 3D WTS ..................................................................................... 9
Hình 1.8
Ví dụ WTS có lô cuộn theo nguyên lý cuộn nổi .................................... 11
Hình 1.9
Ví dụ WTS có lô tở theo nguyên lý phanh từ......................................... 12
Hình 1.10 WTS có lô tở và lô cuộn theo nguyên lý hướng tâm .............................. 12
Hình 1.11 Đặc tính lực căng và vận tốc dài yêu cầu của WTS ............................... 13
Hình 1.12 Mô hình cơ khí cho WTS theo nguyên lý hướng tâm ............................ 14
Hình 1.13 Mô hình WTS nhiều phân đoạn lực căng (nguồn: [17]) ........................ 16
Hình 1.14 Mô hình WTS một phân đoạn lực căng (nguồn: [18]) ........................... 16
Hình 1.15 Mô hình toán học WTS một đoạn (nguồn:[18]) ..................................... 17
Hình 1.16 Cấu trúc bộ điều khiển PID sử dụng bộ bù lực căng (nguồn:[7]) ......... 18
Hình 1.17 Cấu trúc điều khiển ADRC (nguồn: [34]) .............................................. 19
Hình 1.18 Đáp ứng lực căng khi áp dụng phương pháp trượt (nguồn: [49]) .......... 20
Hình 1.19 Đáp ứng lực căng sử dụng back-stepping (nguồn: [56]) ........................ 20
Hình 2.1
Các thành phần chính của hệ thống theo nguyên lý hướng tâm............. 23
Hình 2.2
Nguyên lý vận chuyển vật liệu dạng băng qua lô tở .............................. 24
Hình 2.3
Nguyên lý vận chuyển vật liệu dạng băng qua lô cuộn .......................... 25
Hình 2.4
Nguyên lý vận chuyển vật liệu dạng băng qua lô dẫn ............................ 25
Hình 2.5
Tương tác giữa vật liệu và lô dẫn ........................................................... 27
Hình 2.6
Mô hình cuộn tở và lô dẫn 1 ................................................................... 28
Hình 2.7
Phân tố vật liệu di chuyển theo thời gian ............................................... 30
Hình 2.8
Mô men quán tính trên lô tở ................................................................... 32
Hình 2.9
Mô men của ngoại lực tác dụng lên lô tở và lô dẫn thứ nhất ................. 33
Hình 2.10 Mô men của ngoại lực tác dụng lên lô cuộn và lô dẫn thứ n .................. 34
Hình 2.11 Mô men của ngoại lực tác dụng lên lô dẫn chủ động và bị động ........... 35
Hình 2.12 Mô hình WTS một phân đoạn ................................................................ 38
x
Hình 2.13 Mô hình của WTS một đoạn vật liệu ..................................................... 38
Hình 2.14 Mô hình WTS có 2 lô dẫn chủ động ...................................................... 41
Hình 2.15 Mô hình của WTS ba đoạn vật liệu ........................................................ 41
Hình 2.16 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới mô đun đàn hồi (nguồn:[61]) .................... 43
Hình 2.17 Ảnh hưởng của lô đến chiều dài đoạn vật liệu (nguồn:[64]) .................. 45
Hình 2.18 (a) Trường hợp lô vật liệu bị lệch tâm, (b) bị biến dạng (nguồn:[66])... 45
Hình 2.19 Đặc tính giữa ứng suất σ và biến dạng tương đối ε (nguồn: [68]) ........ 47
Hình 2.20 Tương tác giữa lô dẫn và vật liệu ........................................................... 48
Hình 2.21 Quá trình thay đổi lực căng qua các lô dẫn ............................................ 49
Hình 2.22 Quy tắc chọn lực căng cho các phân đoạn ............................................. 50
Hình 2.23 Sơ đồ cấu hình hệ thống thực nghiệm .................................................... 50
Hình 2.24 Mô hình thiết kế WTS cho hệ thống thực nghiệm trên phần mềm Autodesk
Inventor 2019 ........................................................................................ 51
Hình 2.25 Hình ảnh thưc tế của mô hình WTS thực nghiệm tại phòng 407 -tầng 4 toà
nhà C1B - Đại học Bách Khoa Hà Nội ................................................. 51
Hình 3.1
Mô hình của WTS cơ bản ....................................................................... 55
Hình 3.2
Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển theo phương pháp thiết kế back-stepping 59
Hình 3.3
Đáp ứng lực căng của đoạn vật liệu sử dụng back-stepping .................. 60
Hình 3.4
Sai lệch lực căng sử dụng back-stepping ............................................... 60
Hình 3.5
Đáp ứng cửa vận tốc dài sử dụng back-stepping .................................... 60
Hình 3.6
Đáp ứng vận tốc góc lô tở và lô cuộn sử dụng back-stepping ............... 61
Hình 3.7
Mô men Mu , M r sử dụng back-stepping ................................................ 61
Hình 3.8
Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển back-stepping tích hợp bdộ quan sát ....... 68
Hình 3.9
Đáp ứng của lực căng khi thông số mô hình xác định theo Bảng 2.3 .... 69
Hình 3.10 Đáp ứng của lực căng khi thành phần bất định 1% ................................ 69
Hình 3.11 Đáp ứng của lực căng khi thành phần bất định 10% .............................. 70
Hình 3.12 Đáp ứng lực căng trên mô hình theo lượng đặt Tđ=10N ........................ 71
Hình 3.13 Đáp ứng vận tốc dài với giá trị đặt Vđ=2m/s .......................................... 72
Hình 3.14 Sai lệch của vận tốc dài với giá trị đặt Tđ=10N và Vđ=2m/s.................. 72
Hình 3.15 Đáp ứng của vận tốc góc lô cuộn ........................................................... 73
Hình 3.16 Đáp ứng của vận tốc góc lô tở ................................................................ 73
Hình 4.1
Cấu trúc bộ điều khiển tích hợp DSC ..................................................... 85
Hình 4.2
So sánh đáp ứng lực căng khi sử dụng DSC .......................................... 86
xi
Hình 4.3
Sai lệch lực căng khi sử dụng DSC khi thông số xác định .................... 86
Hình 4.4
Đáp ứng của vận tốc dài khi sử dụng DSC ............................................ 86
Hình 4.5
Đáp ứng của vận tốc góc lô tở và lô cuộn khi sử dụng DSC ................. 87
Hình 4.6
Đáp ứng lực căng khi bất định thông số 10% ........................................ 87
Hình 4.7
Sai lệch lực căng khi bất định thông số 10% ......................................... 87
Hình 4.8
Đáp ứng lực căng khi bất định thông số 30% ........................................ 88
Hình 4.9
Sai lệch lực căng khi bất định thông số 30% ......................................... 88
Hình 4.10 Một ví dụ cấu trúc chung mạng Neural RBF ......................................... 89
Hình 4.11 Cấu trúc mạng RBF cho bộ bù thành phần bất định của Ju , Jr .............. 90
Hình 4.12 Bộ điều khiển thích nghi dựa trên back-stepping kết hợp với RBF và bộ
quan sát.................................................................................................. 98
Hình 4.13 Đáp ứng lực căng trong trường hợp sử RBF .......................................... 99
Hình 4.14 Sai lệch lực căng trong trường hợp sử RBF ......................................... 100
Hình 4.15 Đáp ứng của vận tốc dài khi sử dụng RBF ........................................... 100
Hình 4.16 Đáp ứng của vận tốc góc lô tở khi sử dụng RBF ................................. 100
Hình 4.17 Đáp ứng lực căng trong trường hợp sử RBF với Ji = 1.5 *Ji-tính ........... 101
Hình 4.18 Sai lệch lực căng trong trường hợp sử RBF với Ji = 1.5 *Ji-tính ............ 101
Hình 4.19 Đáp ứng lực căng trong trường hợp sử RBF với Ji = 2 *Ji-tính .............. 102
Hình 4.20 Sai lệch lực căng trong trường hợp sử RBF với Ji = 2 *Ji-tính ............... 102
xii
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.
40
Tổng hợp các bài báo tại hội nghi chuyên ngành IWEB
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
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.
3. 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.
4. 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.
5. 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
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. Tiếp theo đề xuất xây dựng thuật toán điều khiển thích nghi sử dụng
3
mạng nơ ron RBF để luật cập nhật tham số đảm bảo hệ thống ổn định với sự thay đổi
lớn của tham số mô hình.
Phần kết luận đưa ra những nhận xét, đánh giá và kết luận về kết quả đạt được
của luận án. Bình luận về ý nghĩa khoa học, thực tiễn của các kết quả nghiên cứu.
Đồng thời cũng chỉ ra những khó khăn, hạn chế và đề xuất, định hướng cho các nghiên
cứu tiếp theo.
4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ VẬN CHUYỂN VẬT LIỆU DẠNG BĂNG
1.1 Khái quát đối tượng nghiên cứu
1.1.1 Giới thiệu chung
Hệ vận chuyển vật liệu dạng băng (WTS) là một trong số những hệ thống có ứng
dụng rộng rãi trong nhiều nhà máy lớn như nhà máy giấy, in ấn, sản xuất tôn thép,
phim, pin năng lượng mặt trời,... Những sản phẩm được tạo ra đóng vai trò rất quan
trọng trong đời sống thường ngày cũng như công cuộc xây dựng và phát triển đất
nước hiện nay. Ta có thể bắt gặp WTS ở rất nhiều nơi [5] và [6].
a)
Trong sản xuất cuộn phim
d) Trong sản xuất giấy
b)
Trong sản xuất pin mặt trời
e) Trong sản xuất tôn, thép, inox
c)
Trong các hoạt động in ấn
f) Trong sản xuất vải
Hình 1.1 Các ứng dụng WTS trong thực tế (nguồn: [5],[6])
5
Có thể thấy WTS có rất nhiều ứng dụng như chỉ ra trong Hình 1.1. Các ứng dụng
này không chỉ là các sản phẩm thiết yếu trong đời sống con người mà còn đóng vai
trò trong việc phát triển đất nước, định hướng tương lai. Như vậy ta có thể thấy độ
phủ rất rộng trong các lĩnh vực ứng dụng của WTS. Có những hệ thống đã có từ rất
lâu và đã có những nghiên cứu và áp dụng mang lại những thành tựu to lớn. Tuy
nhiên phụ thuộc vào đặc thù của từng lĩnh vực và sự phát triển đầu tư vào các hệ
thống máy móc tại các cơ sở sản xuất, sẽ cần mức độ ưu tiên phát triển nghiên cứu
cải tiến về năng suất, công suất và đặc biệt làm chủ công nghệ khác nhau.
Với một số ngành sản xuất như giấy, vải, tôn thép… đã có lịch sử phát triển
lâu dài, các nhà máy giấy tại Việt Nam hiện nay về cơ bản đã có những bước tiến
quan trọng về cả công suất và năng suất. Kết quả khảo sát tại phân xưởng xeo giấyTrường 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 đã chỉ ra việc áp dụng khoa
học công nghệ vào sản xuất đã thay đổi cả diện mạo nhà máy (Hình 1.2) như giảm
được nhân công vận hành, nâng cao được năng suất và chất lượng đầu ra.
Hình 1.2 WTS trong giờ làm việc tại nhà máy giấy An Hòa (nguồn: [7])
Hiện nay các thành tựu đạt được trong việc phát triển và nâng cấp với các lĩnh
vực này đã được công bố và áp dụng. Các vật liệu trong nhóm này đã được chọn
nghiên cứu và đã có rất nhiều công trình nghiên cứu được công bố, đã được xuất bản
sách, đặc biệt là các giải pháp “Điều khiển truyền động điện trong công nghiệp” cho
các hệ truyền động điện được ứng dụng tại một số các nhà máy sản xuất giấy, tôn
hiện này [8]. Mặc dù số lượng các WTS của các nhà máy sản xuất các vật liệu trên
tuy có mật độ ít, tuy nhiên tầm quan trọng lại rất lớn, có thể ảnh hưởng đến nền kinh
tế của một quốc gia, nên trong tương lai cũng vẫn cần duy trì và phát triển để ngày
càng nâng cao hiệu quả về kinh tế.
6
- Xem thêm -