Luận án tiến sĩ mô hình hóa và điều khiển dự báo hệ thống phân phối vật liệu nano

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÙI VĂN DÂN

MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO HỆ THỐNG
PHÂN PHỐI VẬT LIỆU NANO

LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội – 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÙI VĂN DÂN

MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO HỆ THỐNG
PHÂN PHỐI VẬT LIỆU NANO

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số
: 62520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. Nguyễn Quốc Cƣờng
2. PGS. TS. Bùi Trung Thành

Hà Nội – 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: luận án “Mô hình hóa và điều khiển dự báo hệ thống phân phối
vật liệu nano” là công trình nghiên cứu của riêng tôi đƣợc hoàn thành dƣới sự chỉ bảo tận
tình của hai thầy giáo hƣớng dẫn.
Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, một phần đƣợc công bố trên các
tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý của các đồng tác giả, phần còn lại chƣa đƣợc
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày ..... tháng 03 năm 2017
Tác giả luận án

Tập thể hƣớng dẫn

1. PGS.TS. Nguyễn Quốc Cƣờng
Bùi Văn Dân

2. PGS.TS. Bùi Trung Thành

i


LỜI CẢM ƠN
Trƣớc tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Quốc Cƣờng –
Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội và PGS.TS. Bùi Trung Thành – Trƣờng Đại học Sƣ
Phạm Kỹ thuật Hƣng Yên đã tận tình hƣớng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp tôi thực
hiện và hoàn thành luận án này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo, đồng nghiệp trong bộ môn Kỹ thuật đo và
tin học công nghiệp – Viện Điện - Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã tạo điều kiện

giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện luận án, tham gia sinh hoạt tại bộ môn.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo, đồng nghiệp trong Viện Đào tạo Quốc tế
về Khoa học Vật liệu (ITIMS) - Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã tạo điều kiện giúp
đỡ tôi khảo sát, thực nghiệm trong thời gian thực hiện luận án.
Xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô, anh chị, bạn bè và đồng nghiệp
Bộ môn Điều khiển và Tự động hóa, Khoa Điện - Điện tử, Phòng đào tạo, các đơn vị chức
năng - Trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật Hƣng yên đã chia sẻ, đóng góp ý kiến, giúp đỡ,
động viên tôi vƣợt qua mọi khó khăn để hoàn thành tốt công việc nghiên cứu của mình.
Cuối cùng, tôi biết ơn bố mẹ và những ngƣời thân trong gia đình đã luôn quan tâm,
động viên và tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi có thể hoàn thành bản luận án. Xin dành
những lời yêu thƣơng nhất cho vợ, con gái và con trai yêu quý đã cùng tôi vƣợt qua những
khó khăn, vất vả trong cuộc sống và trong quá trình nghiên cứu để tôi hoàn thành bản luận
án này.
Một lần nữa xin chân thành cám ơn !
Hà Nội, ngày ...... tháng 03 năm 2017
Tác giả luận án

Bùi Văn Dân

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ II
MỤC LỤC ........................................................................................................................... III
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT........................................................... V
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................. VIII
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ....................................................................................... IX
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1

1. Giới thiệu ...................................................................................................................... 1
2. Tính cấp thiết của luận án ............................................................................................. 2
3. Mục tiêu của luận án ..................................................................................................... 2
4. Đối tƣợng, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu ......................................................... 3
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ...................................................................................... 4
6. Những đóng góp của luận án: ....................................................................................... 4
7. Bố cục luận án............................................................................................................... 5
CHƢƠNG 1. LÝ THUYẾT TỔNG QUAN .......................................................................... 8
1.1. Bài toán hệ thống phân phối vật liệu nano................................................................. 8
1.2. Tổng quan phần cứng hệ thống phân phối vật liệu .................................................... 8
1.2.1. Khái niệm về hệ thống phân phối vật liệu ............................................................ 8
1.2.2. Giới thiệu các phƣơng pháp chế tạo vật liệu nano ............................................... 9
1.2.3. Tổng quan các nghiên cứu phần cứng hệ thống phân phối vật liệu nano .......... 10
1.3. Tổng quan các nghiên cứu điều khiển vị trí ............................................................. 14
1.3.1. Nhóm phƣơng pháp điều khiển không gian trạng thái gán điểm cực................. 14
1.3.2. Nhóm phƣơng pháp điều khiển trƣợt ................................................................. 17
1.3.3. Nhóm phƣơng pháp điều khiển tầng PID ........................................................... 20
1.3.4. Nhóm phƣơng pháp điều khiển kết hợp giữa PID – Mờ nơ ron......................... 23
1.3.5. Nhóm phƣơng pháp điều khiển tối ƣu bền vững thích nghi ............................... 26
1.3.6. Nhóm phƣơng pháp điều khiển dự báo .............................................................. 28
1.4. Kết luận .................................................................................................................... 31
CHƢƠNG 2. XÂY DỰNG HỆ THỐNG PHÂN PHỐI VẬT LIỆU NANO NẰM NGANG
VÀ MÔ HÌNH HÓA DƢỚI DẠNG HÀM TRUYỀN, MÔ HÌNH TRẠNG THÁI ........... 34
2.1. Đặt vấn đề ................................................................................................................ 34
2.2. Xây dựng cấu trúc điển hình hệ thống phân phối vật liệu nano .............................. 35
2.3. Xây dựng mô hình toán cho hệ thống phân phối vật liệu nano ............................... 36
2.3.1. Mô tả mô hình toán động cơ DC ........................................................................ 37
2.3.2. Mô tả hệ động cơ hộp số và khớp nối mềm với tải ............................................ 38
2.3.3. Phƣơng trình toán học mô tả hệ thống phân phối vật liệu nano ......................... 42
2.4. Khảo sát mô phỏng trên Matlab ............................................................................... 42

iii


2.5. Kết luận .................................................................................................................... 49
CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ............................................... 51
3.1. Đặt vấn đề ................................................................................................................ 51
3.2. Xây dựng mô hình đối tƣợng điều khiển ................................................................. 51
3.3. Xây dựng bộ điều khiển PID cho hệ thống phân phối vật liệu nano ....................... 55
3.3.1 Đặt vấn đề ............................................................................................................ 55
3.3.2. Xây dựng bộ điều khiển PID cho hệ phân phối vật liệu nano ............................ 55
3.4. Xây dựng bộ điều khiển dự báo cho hệ thống phân phối vật liệu nano ................... 64
3.4.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................... 64
3.4.2. Cơ sở lý thuyết điều khiển dự báo ...................................................................... 64
3.4.3. Xây dựng phƣơng pháp điều khiển dự báo trong không gian trạng thái ............ 66
3.4.4. Xây dựng bộ điều khiển dự báo thích nghi có thành phần tích phân để xử lý
nhiễu .................................................................................................................................... 68
3.4.5. Quan sát trạng thái nhờ lọc Kalman ................................................................... 71
3.4.6. Xây dựng sơ đồ khối hệ thống theo phƣơng pháp điều khiển dự báo thích nghi
có thành phần tích phân ....................................................................................................... 73
3.4.7. Kết quả mô phỏng trên Matlab bộ điều khiển dự báo thích nghi có thành phần
tích phân. ............................................................................................................................. 73
3.5. So sánh hai phƣơng pháp PID và MPC ................................................................... 77
3.6. Kết luận .................................................................................................................... 81
CHƢƠNG 4. THỰC NGHIỆM ........................................................................................... 83
4.1. Giới thiệu cấu hình hệ thống thực nghiệm ............................................................... 83
4.2. Kết quả ứng dụng thực nghiệm ................................................................................ 85
4.2.1. Trình tự thực hiện ............................................................................................... 85
4.2.2. Kết quả thực nghiệm: ......................................................................................... 86
4.3. Kết luận .................................................................................................................... 94
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 95

1. Kết luận ....................................................................................................................... 95
2. Kiến nghị..................................................................................................................... 96
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 97
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 103
PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 104
Phụ lục 01: Tính toán chi tiết cơ cấu chấp hành hệ thống phân phối vật liệu nano...... 104
Phụ lục 02: Thiết kế, chế tạo phần cứng hệ thống phân phối vật liệu nano ................. 118

iv


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu:

A, B, C

Ma trận trạng thái

Aˆ , Bˆ , Cˆ

Ma trận trạng thái mở

Bm

Ma sát nhớt (sẽ đƣợc xác định bằng thực nghiệm)

BL

Hệ số ma sát nhớt ổ bi nối trục vít me

Cs

Hệ số tắt dần của trục (độ cứng vững của vật liệu)

e

Suất điện động phần ứng

G

Hằng số

I

Ma trận đơn vị

Kt

Hằng số mô men xoắn không đổi

Kv

Hằng số xuất điện động không đổi

Km

Hằng số mô men không đổi

M

Khoảng thời gian dự báo (Tầm dự báo – Receding horizon )

Q

Hàm mục tiêu

Tm

Mô men xoắn động cơ

Ts

Mô men trên trục truyền từ phía động cơ đến tải

Td

Mô men nhiễu tải

Tf

Mô men ma sát trên trục động cơ

ia

Dòng điện phần ứng

Jm

Mô men quán tính của động cơ

Ra

Trở kháng điện cảm

La

Điện cảm phần ứng
v


va

Điện áp phần ứng động cơ

JL

Hệ số quán tính phần trƣợt

Jm

Hệ số quán tính động cơ

ωm

Vận tốc góc động cơ

ωl

Vận tốc góc với tải

α

Góc giới hạn khe hở hộp số

α0, α1, α2

Hệ số ma sát

θs

Góc lệch giữa trục tải và trục động cơ

θm

Vị trí góc quay trục động cơ

m

Vận tốc góc trục động cơ

m

Gia tốc góc trục động cơ

θl

Vị trí góc quay trục tải

θd

Góc lệch deadzone giữa động cơ và tải

θb

Góc khe hở hộp số

ws   s

Vận tốc góc lệch giữa trục tải và động cơ

x  ( x1 , ..., x n )

T

x (k), xk , {xk }

Véc tơ của các phần tử x1, i=1,2,...n, trong đó chỉ số T là ký hiệu
phép tính chuyển vị
Giá trị và dãy các giá trị trích mẫu của hàm thời gian x(t) tại thời
điểm t = kTa với Ta là chu kỳ trích mẫu

yˆ

Tín hiệu ra mở rộng

xˆ

Véc tơ trạng thái quan sát đƣợc

uk

Tín hiệu điều khiển dự báo

vi


Chữ viết tắt:

Backlash

Hiệu ứng khe hở

CARE

Control Algebraic Riccati Equation - Phƣơng trình Riccati điều
khiển

CNC

Computer Numerical Control - Điều khiển bằng máy tính

Dead Zone
Mode

Góc chết của hệ

DMC

Dynamic Matrix Control - Ma trận động học điều khiển

GA

Genetic Algorithm - Giải thuật di truyền

GPC

Generalized Predictive Control - Điều khiển dự báo tổng quát

IFT

Iterative feedback Tuning – Điều chỉnh phản hồi lặp

LQR

Linear Quadratic Regulator – Bộ điều chỉnh toàn phƣơng

MEMS

Micro-electromechical system - Công nghệ vi cơ điện tử

MPC

Model Predictive Control - Điều khiển dự báo

MAC

Model Algorithmic Control - Thuật toán điều khiển theo mô hình

PID

Proportional Integral Derivative - Khâu tỷ lệ - tích phân – vi phân

PSO

Particle Swarm Optimization – Thuật toán tối ƣu hóa bầy đàn

RAM

Random Access Memory - Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên

ROM

Read Only Memory - Bộ nhớ chỉ đọc, không thể ghi – xóa

SISO

Single Input Single Output - Một vào một ra

USB

Universal Serial Bus - Chuẩn truyền dữ liệu cho BUS (Thiết bị)
ngoại vi)

FPGA

Field-programmable gate array - Mạch tích hợp cỡ lớn dùng cấu
trúc mảng phần tử logic có thể lập trình đƣợc.

Z-N

Ziegler - Nichols

vii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Tham số của hệ thống phân phối vật liệu nano ................................................... 43
Bảng 3.1 Tham số của hệ thống nghiên cứu ....................................................................... 56
Bảng 3.2. Kết quả khảo sát so sánh bộ điều khiển PID cho hệ phân phối vật liệu nano.
............................................................................................................................................. 63
Bảng 3.3. Kết quả khảo sát so sánh bộ điều khiển MPC thích nghi có thành phần tích
phân ..................................................................................................................................... 76
Bảng 3.4 Kết quả khảo sát khi thay đổi vị trí đặt. ............................................................ 78
Bảng 3.5. Kết quả khảo sát khi thay đổi tải. .................................................................... 80
Bảng 3.6. So sánh kết quả với bài toán đặt ra trong phần phạm vi nghiên cứu. ............ 82
Bảng 4.1 Chức năng các khối của mô hình hệ thống phân phối vật liệu nano ................... 84
Bảng 5.1. Kết quả thực hiện so sánh với bài toán đặt ra. ................................................... 95

viii


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Hệ mô phỏng đặt các nơ ron thần kinh [71] ........................................................ 11
Hình 1.2 Kết quả mô phỏng đặt nơ ron thần kinh [71) ....................................................... 11
Hình 1.3 Hệ của larson [23] ................................................................................................ 11
Hình 1.4 Kết quả hệ vi cơ điện tử [23] ............................................................................... 11
Hình 1.5 Ảnh chụp nhỏ dung dich [23] .............................................................................. 11
Hình 1.6 Khoảng cách phân phối [23] ................................................................................ 11
Hình 1. 7 Mô hình động năng của hệ thống [47]. .............................................................. 13
Hình 1.8 Sơ đồ khối điều khiển động cơ DC dùng bộ đánh giá vi phân [59] ..................... 15

Hình 1.9 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID dựa trên lập trình trực tuyến [68] ........................ 16
Hình 1.10 Sơ đồ khối truyền thẳng kết hợp với phản hồi trạng thái đầu ra [68] ................ 16
Hình 1.11 Sơ đồ khối bộ điều khiển phản hồi trạng thái dùng bộ quan sát [68] ................ 17
Hình 1.12 Cấu trúc mạng nơ ron của hệ điều khiển bám thích nghi cho động cơ DC [46] 17
Hình 1.13 Sơ đồ khối của hệ điều khiển bám thích nghi cho động cơ DC [46] ................. 18
Hình 1.14 Sơ đồ hệ điều khiển dùng khâu ƣớc lƣợng ma sát và điều khiển trƣợt [37] ...... 18
Hình 1.15 Bộ điều khiển mạng mờ kiểu TSK thích nghi tự tổ chức [26]........................... 19
Hình 1.16 Sơ đồ khối hệ điều khiển servo một trục một vòng phản hồi tốc độ [79] .......... 19
Hình 1.17 Sơ đồ khối bộ điều khiển servo hai vòng phản hồi tốc độ - vị trí [79] .............. 20
Hình 1.18 Sơ đồ khối bộ điều khiển servo ghép tầng PID [80] .......................................... 20
Hình 1.19 Sơ đồ khối cấu trúc phần cứng hệ điều khiển servo điển hình [80] ................... 20
Hình 1.20 Sơ đồ khối bộ điều khiển đáp ứng nhanh hệ Servo tuyến tính cho hai trục [78]21
Hình 1.21 Sơ đồ khối bộ điều khiển dùng phƣơng pháp tìm thông số PID -IFT Systematic
block diagram [41]............................................................................................................... 21
Hình 1.22 Sơ đồ khối bộ điều khiển APID cho động cơ DC [27] ...................................... 22
Hình 1.23 Sơ đồ khối bộ điều khiển tầng vị trí [50] ........................................................... 22
Hình 1.24 Sơ đồ khối bộ điều khiển tối ƣu hóa GA PID Offline [55] ................................ 23
Hình 1.25 Cấu trúc hệ điều khiển giám sát mờ [55] ........................................................... 23
Hình 1.26 Sơ đồ mô phỏng của hệ EMA-AFC [55] ........................................................... 23
Hình 1.27 Sơ đồ khối điều khiển mờ trƣợt cho hệ phi tuyến [61] ...................................... 24
Hình 1.28 Sơ đồ khối bộ điều khiển nơ ron song song [44] ............................................... 24
Hình 1.29 Sơ đồ khối bộ điều khiển nơ ron song song cho động cơ DC [44] .................... 24
Hình 1.30 Cấu trúc điều khiển nơ ron [45] ........................................................................ 25
Hình 1.31 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID mờ [81] ........................................................ 26
Hình 1.32 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID mờ [81] .............................................................. 26
Hình 1.33 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tối ƣu thích nghi [28] .......................................... 26
Hình 1.35 Sơ đồ điều khiển H∞ trong trƣờng hợp phản hồi trạng thái [35]....................... 28
Hình 1.36 Sơ đồ khối bộ điều khiển phản hồi trạng thái đầu ra [56].................................. 28
Hình 1.37: Điều khiển hệ truyền động qua bánh răng [5] .................................................. 30
ix

Hình 2.1 Sơ đồ khối chung mô hình của hệ phân phối vật liệu .......................................... 35
Hình 2.2 Mô hình khối chuyển động của hệ thống theo ba chiều x, y, z ............................ 35
Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc hệ phân phối vật liệu nằm ngang một trục điển hình ................... 36
Hình 2.4 Sơ đồ mô tả các thông số động cơ DC ................................................................. 37
Hình 2.5 Mô tả hệ động cơ hộp số và khớp nối mềm với tải.............................................. 39
Hình 2.6 Đồ thị mô tả hàm phi tuyến trên trục động cơ ..................................................... 39
Hình 2.7 Đồ thị mô tả hàm phi tuyến ................................................................................ 40
Hình 2.8 Sơ đồ khối mô tả mô hình đối tƣợng hệ thống .................................................... 42
Hình 2.9 Mô hình khối mô tả động cơ với tải ..................................................................... 43
Hình 2.10 Mô hình khối mô tả động cơ .............................................................................. 44
Hình 2.11 Mô hình khối mô tả tải ....................................................................................... 44
Hình 2.12 Mô hình khối mô tả hệ Backlash ....................................................................... 44
Hình 2.13 Khi tải đầu vào thay đổi từ 5N/m....................................................................... 45
Hình 2.14 Khoảng cách di chuyển của cơ cấu phân phối khi tải thay đổi. ......................... 45
Hình 2.15 Tốc độ di chuyển của cơ cấu phân phối khi tải thay đổi.................................... 45
Hình 2.16 Dòng điện phần ứng động cơ thay đổi. .............................................................. 46
Hình 2.17 Khoảng cách di chuyển của cơ cấu phân phối khi tần số thay đổi .................... 46
Hình 2.18 Tốc độ di chuyển của cơ cấu khi tần số thay đổi ............................................... 47
Hình 2.19 Dòng điện phần ứng động cơ khi tần số thay đổi .............................................. 47
Hình 2.20 Điện áp phần ứng của động cơ thay đổi............................................................. 48
Hình 2.21 Dòng điện phần ứng của động cơ khi thay đổi điện áp phần ứng ...................... 48
Hình 2.22 Tốc độ trên trục động cơ một chiều khi thay đổi điện áp phần ứng .................. 49
Hình 2.23 Khoảng cách di chuyển của cơ cấu phân phối khi thay đổi điện áp phần ứng .. 49
Hình 3.1 Sơ đồ khối của mô hình đối tƣợng biểu diễn trên matlab .................................... 56
Hình 3.2 Biểu đồ bode của thuật toán PID cho đối tƣợng .................................................. 57
Hình 3.3 Biểu đồ điểm cực của thuật toán PID cho đối tƣợng ........................................... 57
Hình 3.4 Biểu đồ thị điểm cực ............................................................................................ 59
Hình 3.5 Khi thay đổi điểm cực trong trƣờng hợp 1 .......................................................... 59

Hình 3.6 Biểu đồ đáp ứng quá độ khi thay đổi điểm cực trong trƣờng hợp 1 .................... 60
Hình 3.7 Khi thay đổi điểm cực trong trƣờng hợp 2 .......................................................... 60
Hình 3.8 Biểu đồ đáp ứng quá độ khi thay đổi điểm cực trong trƣờng hợp 2 .................... 60
Hình 3.9 Khi thay đổi điểm cực trong trƣờng hợp 3 .......................................................... 61
Hình 3.10 Biểu đồ đáp ứng quá độ khi thay đổi điểm cực trong trƣờng hợp 3 .................. 61
Hình 3.11 Kết quả tham số PID thu đƣợc ........................................................................... 62
Hình 3.12 Mô hình đối tƣợng dạng tổng quát theo sơ đồ khối trên Simulink .................... 62
Hình 3.13 Biểu đồ đáp ứng quá độ theo phƣơng pháp PID có xét tính phi tuyến ............. 63
Hình 3.14 Mô hình khối điều khiển dự báo ........................................................................ 64
Hình 3.15 Nguyên tắc dịch theo trục thời gian cùng với thời điểm trích mẫu của khoảng
thời gian dự báo [12] ........................................................................................................... 65
x


Hình 3.16 Nguyên tắc dịch theo trục thời gian ................................................................... 67
Hình 3.17 Sơ đồ khối điêu khiển dự báo cho hệ thống phân phối vật liệu nano ................ 73
Hình 3.18 Tín hiệu đầu vào đặt thay đổi với phƣơng pháp MPC ....................................... 74
Hình 3.19 Vị trí đầu ra với phƣơng pháp MPC khi tín hiệu vào thay đổi .......................... 74
Hình 3.20 Tốc độ đầu ra với phƣơng pháp MPC khi tín hiệu vào thay đổi ........................ 74
Hình 3.21 Dòng điện phần ứng với phƣơng pháp MPC khi tín hiệu vào thay đổi ............. 74
Hình 3.22 Khi tải thay đổi với phƣơng pháp MPC ............................................................. 75
Hình 3.23 Vị trí đầu ra với phƣơng pháp MPC khi tải thay đổi ......................................... 75
Hình 3.24 Tốc độ đầu ra với phƣơng pháp MPC khi tải thay đổi....................................... 75
Hình 3.25 Dòng điện phần ứng với phƣơng pháp MPC khi tải thay đổi ............................ 76
Hình 3.26 Khi giá trị đặt thay đổi so sánh giữa phƣơng pháp MPC và PID ...................... 77
Hình 3.27 Vị trí đầu ra so sánh giữa MPC và PID khi giá trị đặt thay đổi ......................... 77
Hình 3.28 Tốc độ động cơ trƣớc hộp số giữa MPC và PID khi giá trị đặt thay đổi ........... 78
Hình 3.29 Dòng điện phần ứng so sánh giữa MPC và PID khi giá trị đặt thay đổi ............ 78
Hình 3.30 Điện áp phần ứng động cơ so sánh giữa MPC và PID khi giá trị đặt thay đổi .. 78
Hình 3.31 Khi tải đầu vào thay đổi so sánh giữa phƣơng pháp MPC và PID .................... 79

Hình 3.32 Vị trí đầu ra so sánh giữa MPC và PID khi tải thay đổi .................................... 79
Hình 3.33 Tốc độ động cơ trƣớc hộp số so sánh giữa MPC và PID khi tải thay đổi .......... 79
Hình 3.34 Dòng điện phần ứng so sánh giữa MPC và PID khi tải thay đổi ....................... 80
Hình 3.35 Điện áp phần ứng động cơ so sánh giữa MPC và PID khi tải thay đổi ............ 80
Hình 4.1 Mô hình thực tế khi lắp ráp, kết nối hệ thống phân phối vật liệu nano ............... 84
Hình 4.2 Kết nối mô hình thực nghiệm .............................................................................. 85
Hình 4.3 Vị trí đầu ra trên toàn dải thang đo cho hệ chuyển động qua 2 điểm .................. 86
Hình 4.4 Vị trí đầu ra khi vị trí chuyển động từ 0 -3s cho hệ chuyển động qua 2 điểm ..... 86
Hình 4.5 Vị trí đầu ra khi tín hiệu điều khiển nhỏ cho hệ chuyển động qua 2 điểm .......... 86
Hình 4.6 Dòng điện phần ứng cho hệ chuyển động qua 2 điểm ......................................... 87
Hình 4.7 Điện áp phần ứng cho hệ chuyển động qua 2 điểm ............................................. 88
Hình 4.8 Vị trí đầu ra trên toàn dải thang đo có độ phân giải bƣớc 50μm ......................... 89
Hình 4.9 Vị trí đầu ra lớn cho hệ chuyển động có độ phân giải bƣớc 50μm ...................... 89
Hình 4.10 Vị trí đầu ra nhỏ cho hệ chuyển động có độ phân giải bƣớc 50μm ................... 90
Hình 4.11 Dòng điện phần ứng cho hệ chuyển động có độ phân giải bƣớc 50μm ............. 90
Hình 4.12 Điện áp phần ứng cho hệ chuyển động có độ phân giải bƣớc 50μm ................. 91
Hình 4.13 Dạng xung điều khiển trên Osilloscoper. ........................................................... 92
Hình 4.14 Dạng xung điện áp phần ứng của động cơ trên Osilloscoper. ........................... 92
Hình 4.15 Điện áp phần ứng của động cơ thực nghiệm .................................................... 92
Hình 4.16 Dòng điện phần ứng của động cơ thực nghiệm. ............................................... 93
Hình 4.17 Vị trí đầu ra thực nghiệm. .................................................................................. 93
Hình 4.18 Khả năng dự báo của khâu dự báo với hiệu ứng Backlash so với PID. ............. 93
xi


MỞ ĐẦU
1. Giới thiệu
Năm 1959, Giáo sƣ Richard Feynman đã có bài phát biểu nổi tiếng về thao tác và điều
khiển ở kích thƣớc vi mô. Tuy nhiên, các thiết bị này chỉ thực sự phát triển kể từ khi công
nghệ vi cơ điện tử (MEMS) đƣợc triển khai từ những năm 90 của thế kỷ trƣớc. Phát triển

các vi công cụ thao tác với các đối tƣợng nhỏ có kính thƣớc cỡ micro, nano có nhiều ứng
dụng tiềm năng nhƣ vi lắp ráp, vi robotics, thao tác và định vị các tế bào sống, phân tách tế
bào, mổ nội soi, mổ trong ống nghiệm. Gần đây, các linh kiện vi lƣu cơ điện tử cho phép
thao tác với thể tích chất lƣu nhỏ trong đó có chứa các vi hạt. Công nghệ này có khả năng
ứng dụng rộng trong các lĩnh vực y sinh, vật lý, hóa học [20, 23, 39, 57, 71].
Vật liệu nano là đối tƣợng nghiên cứu của khoa học và công nghệ nano. Tính chất thú
vị của vật liệu nano đƣợc thể hiện ở rất nhiều khía cạnh khác nhau. Tuy nhiên có thể tạm
chia các tính chất đến từ hai nguồn gốc: Diện tích bề mặt của vật liệu nano rất lớn và kích
thƣớc của vật liệu nhỏ hơn một độ dài đặc trƣng nào đó. Do kích thƣớc nhỏ nên diện tích
bề mặt lớn của vật liệu nano đƣợc ứng dụng nhiều nhất vì đặc tính đó dễ hiểu và các hiện
tƣợng bề mặt vật liệu khối đã đƣợc nghiên cứu chi tiết trƣớc đó. Kích thƣớc của vật liệu
nano nhỏ hơn độ dài đặc trƣng của một tính chất nào đó mang lại cho vật liệu nano các tính
chất hóa, lí khác hẳn vật liệu khối thông thƣờng. Ví dụ, định luật Ohm áp dụng cho các vật
dẫn có kích thƣớc lớn. Khi kích thƣớc vật liệu nhỏ hơn quãng đƣờng tự do trung bình của
điện tử (khoảng vài chục nm) thì định luật này không còn đúng nữa. Tƣơng tự nhƣ vậy các
tính chất điện, từ, cơ, quang, hóa, xúc tác của vật liệu nano đều khác hẳn so với vật liệu
khối. Đối với vật liệu nano sắt từ, kích thƣớc tới hạn có thể là độ dày vách đô men, độ dài
tƣơng tác trao đổi, kích thƣớc tại đó chuyển động nhiệt thắng thế để chuyển tính sắt từ
thành siêu thuận từ. Đối với hạt nano kim loại, cộng hƣởng plasmon bề mặt xuất hiện khi
kích thƣớc của hạt nhỏ hơn bƣớc sóng điện từ chiếu vào. Đối với chấm lƣợng tử - hạt nano
bán dẫn, kích thƣớc của hạt nhỏ hơn bán kính Bohr của Exciton. Các điện tử trong hạt
nano ở các mức năng lƣợng gián đoạn, các mức năng lƣợng này đƣợc quyết định chủ yếu
bởi kích thƣớc vật liệu. Ngƣời ta gọi chúng là các nguyên tử nhân tạo. Tính chất thú vị do
kích thƣớc là nguồn cảm hứng cho các nhà khoa học nghiên cứu về khoa học và công nghệ
nano [20, 23, 39, 57, 71].
Ngày nay, sự phát triển về kinh tế và tốc độ toàn cầu hóa đang tăng nhanh. Các hệ
thống phân phối vật liệu nano và xu hƣớng không thể khác nhằm giải quyết các yêu cầu
trong tổng hợp vật liệu, phân phối vật liệu sinh học nhƣ đặt protein lên các đế đƣợc thiết kế
sẵn. Ngành vi cơ khí và điều khiển tự động đã góp phần rất lớn vào việc tăng tốc các ứng
dụng của vật liệu micro nano vào cuộc sống.

1


2. Tính cấp thiết của luận án
Sự phát triển của các ngành công nghệ, vật liệu nano, vật liệu sinh học và các kỹ thuật
phân tích công cụ đòi hỏi những thiết bị phụ trợ để phân phối nhiều loại vật liệu khác nhau
trong đó khối lƣợng hoặc thể tích vật liệu đƣợc phân phối phải ở cỡ nano gram hoặc nano
lít, với độ chính xác cao. Xu hƣớng này cũng đã có mặt tại Việt Nam và đang có đà phát
triển rất nhanh. Nghiên cứu, phát triển các robot điều khiển tự động, robot đáp ứng các nhu
cầu thực tế đa ngành nói trên có ý nghĩa rất quan trọng trong việc duy trì và cải thiện tốc độ
phát triển của các chuyên ngành có liên quan. Bên cạnh đó đề tài cũng là cơ hội để phát
triển nguồn nhân lực trình độ cao của các ngành có liên quan nhƣ khoa học vật liệu, điều
khiển tự động, cơ khí chính xác.
Hệ thống phân phối thƣờng bao gồm các hệ thống treo, chuyển động theo ba chiều độc
lập nhau trong không gian với độ phân giải bƣớc ở cỡ micromet, độ chính xác cỡ nanomet.
Bề mặt sản phẩm cần phân phối có diện tích cỡ micromet, trên một mặt phẳng, các tọa độ
điểm cần chuyển động tới là cố định và đều nhau, vị trí chuyển động có thể đặt trƣớc. Thời
gian tác động tính bằng giây. Điều này cho phép hệ thống có thể thực hiện tốt các tác vụ
trong không gian hẹp mà vẫn đảm bảo độ chính xác cao. Hệ thống thƣờng đi kèm phần
mềm điều khiển, ghép nối máy tính hoặc sử dụng các hệ thống nhúng để tạo điều kiện
thuận lợi cho ngƣời sử dụng.
Tuy nhiên việc xây dựng đối tƣợng cho hệ thống phân phối vật liệu nano là hết sức
khó khăn. Trong đó chứa rất nhiều các thành phần phi tuyến làm ảnh hƣởng trực tiếp đến
chất lƣợng của hệ thống. Nhƣ sai số trong việc chế tạo cơ khí, sai số do ma sát, sai số do
tín hiệu đo, các tác nhân do môi trƣờng...Bên cạnh đó việc áp dụng và đề xuất một thuật
toán tiên tiến phù hợp cho việc điều khiển hệ thống là hết sức cần thiết. Xuất phát từ nhu
cầu thực tiễn, đề xuất hƣớng nghiên cứu của luận án. Luận án này đƣợc thực hiện xuất phát
từ thực tiễn triển khai các đề tài khoa học và công nghệ tại Viện đào tạo quốc tế về khoa
học vật liệu (ITIMS), trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội. Thành công của đề tài sẽ mở ra

một hƣớng nghiên cứu mới nhằm tạo ra một thiết bị phân phân phối vật liệu có độ chính
xác cao, kích thƣớc nhỏ gọn, tiện dụng, có khả năng cho phép phủ lên trên một bề mặt với
địa hình bất kỳ, trong một khoảng diện tích rất nhỏ những lƣợng vật chất (chất lỏng) rất
nhỏ và có thể điều khiển đƣợc [57, 58, 74].

3. Mục tiêu của luận án
Luận án đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu nâng cao chất lƣợng của hệ truyền động qua động
cơ có hộp số bánh răng đƣợc nối với trục truyền động bằng khớp nối mềm, tín hiệu phản
hồi tại đầu ra. Yêu cầu chất lƣợng của hệ truyền động cần độ chính xác cỡ micromet, thời
gian đáp ứng nhanh, hạn chế tối đa quá điều chỉnh. Nhận thấy với cơ cấu truyền động này
cần để ý tới các yếu tố rất khó xác định đƣợc chính xác là khe hở của bánh răng, ma sát
trên trục, độ xoắn của khớp nối mềm, độ cứng vững của vật liệu. Các thành phần này biến
2


động ở chế độ chạy đều và xác lập. Đây là bài toán chƣa đƣợc xét đến trong các phƣơng
pháp điều khiển trƣớc đây [3].
Với nhiệm vụ đặt ra, luận án đề ra mục tiêu:
- Xây dựng mô hình toán động lực học đối với hệ chuyển động cơ khí của hệ thống
phân phối vật liệu nano ứng dụng cho việc chế tạo pin mặt trời màng mỏng, trong
đó có tính đến các yếu tố bất định dƣới dạng hàm số và hằng số, cụ thể là việc xét
đến các yếu tố khe hở của bánh răng trong hộp số, ma sát động, ma sát tĩnh và độ
đàn hồi của vật liệu cũng nhƣ khớp nối mềm giữa trục động cơ với tải.
- Phân tích các thuật toán điều khiển đã có, dựa trên đặc tính của đối tƣợng xây dựng
phƣơng pháp điều khiển thích hợp, trên nguyên tắc kết hợp các phƣơng pháp điều
khiển đã có: Điều khiển không gian trạng thái gán điểm cực, điều khiển trƣợt, điều
khiển mờ - nơ ron, bền vững, thích nghi. Để giải bài toán điều khiển chính xác vị trí
cho hệ thống phân phối vật liệu nano;
- Mô phỏng và thực nghiệm thuật toán đề xuất, định hƣớng ứng dụng trong việc phân
phối vật liệu chế tạo pin mặt trời màng mỏng hoặc các ứng dụng y sinh (ADN hoặc

kháng nguyên)...

4. Đối tƣợng, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Luận án thực hiện là một hệ truyền động cơ khí qua nhiều khâu
bánh răng, khớp nối mềm, vít me, đai ốc... là một hệ phi tuyến, mang nhiều yếu tố bất định,
trong khi một số phƣơng pháp điều khiển hiện có lại thích hợp với từng đối tƣợng có đặc
thù riêng, nên luận án đặt ra là chỉ tập trung vào xây dựng mô hình đối tƣợng điều khiển,
có hệ chuyển động xuất phát từ động cơ DC truyền động qua hộp số giảm tốc (bánh răng),
gắn với trục truyền động vít me bi thông qua khớp nối mềm, trục chuyển động thẳng qua
đai ốc bi, tín hiệu phản hồi trực tiếp tại đầu ra.
Do hệ truyền chuyển động là một hệ cơ khí nên mô hình trạng thái phi tuyến mang
nhiều yếu tố bất định, bởi vậy khi xây dựng phƣơng pháp điều khiển dựa trên cơ sở các
phƣơng pháp điều khiển đã đƣợc thừa nhận trong công nghiệp. Luận án tập trung vào
phạm vi nghiên cứu sau:
- Xây dựng mô hình động lực học đối với hệ chuyển động cơ khí của hệ thống phân
phối vật liệu nano ứng dụng cho việc chế tạo pin mặt trời màng mỏng, trong đó kể
đến các yếu tố bất định dƣới dạng hàm số và hằng số.
- Kết quả mô phỏng đƣợc với các tham số yêu cầu của hệ mô hình, cụ thể: Vị trí cần
nhỏ vật liệu xuống bề mặt sản phẩm cần phân phối nhỏ hơn 106 µm2, độ phân giải
bƣớc giữa hai điểm của tấm pin lớn hơn 103 micromet, thời gian đáp ứng cỡ 1 giây,
giảm thiểu quá điều chỉnh, hệ luôn ổn định bền vững khi tham số của hệ thay đổi và
nhiễu. Thử nghiệm dịch chuyển với các vị trí bƣớc (nhỏ hơn 1000 micromet/
1bƣớc).

3


- Xây dựng phƣơng pháp điều khiển ít phụ thuộc vào yếu tố bất định của mô hình
toán hoặc ít phụ thuộc vào mô hình toán mô tả đối tƣợng điều khiển. Phƣơng pháp
điều khiển dự báo thích nghi sẽ là nền tảng chính trong nghiên cứu này.

Phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích, đánh giá các nghiên cứu về mô hình phân phối vật
liệu, các hệ phi tuyến, các phƣơng pháp điều khiển đã đƣợc công bố trên tài liệu,
tạp chí.
- Mô phỏng, đánh giá kết quả hệ thống phân phối vật liệu nano sử dụng phần mềm
Matlab - Simulink.
- Thử nghiệm ứng dụng của hệ thống phân phối vật liệu trên một trục với số vật liệu
đơn giản tiến tới hoàn thiện và mở rộng đối tƣợng nghiên cứu.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học:
Luận án nghiên cứu một hệ phi tuyến điển hình là hệ phân phối vật liệu nano. Trên cơ
sở đó đề xuất một mô hình toán xét đến các thành phần phi tuyến điển hình và ứng dụng
thuật toán điều khiển tiên tiến để giải quyến bài toán đối tƣợng phi tuyến sao cho phù hợp.
Thuật toán đƣợc đề xuất mở ra một hƣớng điều khiển mới cho một lớp đối tƣợng phi tuyến
tƣơng đồng. Giá trị học thuật của luận án là đề xuất mô hình phi tuyến phù hợp cho đối
tƣợng và xây dựng bộ điều khiển phi tuyến cho đối tƣợng đã đƣợc xây dựng.
Mô hình hệ thống phân phối vật liệu nano đƣợc xây dựng trong luận án là cơ sở cho
nhiều nghiên cứu tiếp theo nhằm áp dụng cho các hệ thống điều khiển hiện đại, thông minh
có thể phát triển mô hình thành một robot đặt các nơ ron thần kinh lên trên bề mặt của vi
điện cực dạng mảng.
Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu có thể giảm thời gian phân phối, tăng độ chính xác cho các hệ
thống phân phối vật liệu, công nghệ này có khả năng ứng dụng rộng trong các lĩnh vực y
sinh, vật lý, hóa học.
Kết quả nghiên cứu sẽ là tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên cao học và nghiên
cứu sinh quan tâm nghiên cứu về hệ thống phân phối vật liệu nano.

6. Những đóng góp của luận án:
Luận án đã có các đóng góp chính sau:

1. Về mặt lý thuyết:
- Xây dựng đƣợc mô hình toán tổng quát (2.21), (3.13) (trong chương 2 và chương 3
của luận án này) cho hệ thống phân phối vật liệu nano ứng dụng cho việc chế tạo
pin mặt trời màng mỏng, trong đó kể đến các yếu tố bất định nhƣ khe hở của hộp
số, độ biến dạng đàn hồi, các mô men ma sát.

4


- Xây dựng phƣơng pháp điều khiển dự báo thích nghi có thành phần tích phân, trong
mục 3.4.4, cụ thể trong phƣơng trình (3.42) đã thực hiện bù thành phần Gθb (nhiễu
bất định) có lẫn trong tín hiệu ra trong phƣơng trình (3.30), sau đó đƣa ra các bƣớc
chi tiết thực hiện thuật toán lọc Kalman không liên tục. Phƣơng pháp đề xuất còn
thực hiện kết hợp đƣa thành phần bất định nhiễu dk = Gθb vào bộ điều khiển dự báo
trong công thức (3.31), sau đó xác định đƣợc dãy các giá trị tín hiệu điều khiển tối
ƣu trong tƣơng lai kể từ thời điểm t = kTa, bao gồm Δuk, Δuk+1,…., Δuk+M-1. Trong
đó M là khoản thời gian dự báo (hình 3.16), sao cho hàm mục tiêu dạng toàn
phƣơng theo phƣơng trình (3.37) đạt giá trị nhỏ nhất.
2. Về mặt thực tiễn:
- Ứng dụng phƣơng pháp điều khiển dự báo thích nghi có thành phần tích phân để
thiết kế bộ điều khiển dự báo phản hồi đầu ra trong miền không gian trạng thái cho
hệ thông phân phối vật liệu nano.
- Bằng lập trình và mô phỏng, kết hợp với thực nghiệm tác giả đã kiểm chứng kết
quả nổi trội của phƣơng pháp điều khiến dự báo thích nghi có thành phần tích phân
cho hệ thống phân phối vật liệu nano xét đến các thành phần bất định điển hình là
thích hợp hơn cả so với các phƣơng pháp điều khiển tiên tiến khác.

7. Bố cục luận án
Cấu trúc của luận án đƣợc mô tả chi tiết trong phần mục lục. Tóm tắt bố cục luận
án và nội dung chính các chƣơng cụ thể là:

Chƣơng 1: Lý thuyết tổng quan
Trong chƣơng này, tác giả trình bày lý thuyết cơ bản về công nghệ nano, khái niệm
và vai trò các phƣơng pháp điều khiển và tự động hóa trong chế tạo vật liệu nano. Từ đó
đƣa ra các hệ thống liên quan đến việc phát triển hệ phân phối vật liệu nano, giới thiệu
nguyên lý hoạt động, cơ chế hoạt động. Phân tích các kết quả đã nghiên cứu cùng hƣớng
với đề tài, dựa trên những công trình nghiên cứu đã đƣợc công bố gần đây ở trong và ngoài
nƣớc, đánh giá, so sánh các ƣu nhƣợc điểm của từng phƣơng pháp điều khiển, chỉ ra đƣợc
các vấn đề còn tồn tại của từng nghiên cứu. Từ đó làm cơ sở đề xuất hƣớng phát triển xây
dựng mô hình toán cũng nhƣ thuật toán mới ứng dụng cho hệ thống phân phối vật liệu
nano
Luận án sẽ tập trung giải quyết hai vấn đề chính nhƣ sau:
Vấn đề thứ nhất: Đề xuất xây dựng mô hình đối tƣợng điều khiển vị trí xét đến các
thành phần phi tuyến điển hình dựa trên phƣơng pháp phân tích. Cụ thể bài toán sẽ giải
quyết đƣợc các vấn đề nhiễu phi tuyến nhƣ nhiễu do khe hở của hộp số, nhiễu do ma sát,
nhiễu do quán tính, nhiễu do lực xoắn [3, 4, 5, 12, 33, 65].
Vấn đề thứ hai: Thiết kế bộ điều khiển dự báo thích nghi có thành phần tích phân, bổ
sung nhiễu dk vào bộ điều khiển, đây cũng là phƣơng pháp đề xuất của luận án, để đáp ứng
5


tốt yêu cầu của bài toán cho mô hình phi tuyên, đối tƣợng là bậc cao. Ứng dụng giải quyết
bài toán cho hệ thống phân phối vật liệu nano.
Chƣơng 2: Xây dựng mô hình đối tƣợng
Nội dung chƣơng này trình bày cấu trúc tổng quan hệ thống điều khiển phân phối vật
liệu. Từ đó xây dựng mô hình đối tƣợng đề cập đến là một hệ phi tuyến có nhiều nguồn
nhiễu phi tuyến tác động lên hệ thống: Nhiễu do khe hở của hộp số, nhiễu do ma sát, nhiễu
do quán tính, nhiễu do lực xoắn... là nguyên nhân gây ra sai lệch khi thiết kế bộ điều khiển.
Kết quả khảo sát chỉ ra rằng tính phi tuyến ảnh hƣởng rõ rệt lên hệ thống so với đối tƣợng
tuyến tính, đƣợc mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng.
Cụ thể mô hình đối tƣợng đề cập đến là một hệ phi tuyến nhiều nguồn nhiễu tác động

lên hệ thống. Từ các đồ thi khảo sát đƣợc trong các trƣờng hợp theo phƣơng trình toán học
tổng quát (2.21). Khi xét đến các thành phần phi tuyến điển hình Bm≠0 (ma sát nhớt), Tf ≠ 0
(mô men ma sát trên trục động cơ), Td ≠0 (mô men nhiễu tải), Ws≠Wd (vận tốc góc lệc giữa
trục tải và động cơ), so với trƣờng hợp không xét tới thành phần phi tuyến Bm= 0, Tf = 0,
Td = 0, Ws = Wd. Cho thấy các nhiễu ma sát phi tuyến làm giảm hệ số khuếch đại của hệ,
làm thay đổi tốc độ và vị trí chính xác. Hiện tƣợng Backlash (Backlash - khe hở của hộp số
bánh răng) ảnh hƣởng rõ rệt tới vị trí của hệ (gây trễ khi khởi động và mỗi khi đảo chiều)
nhƣ các kết luận. Tuy nhiên với yêu cầu khoảng cách dịch chuyển cỡ miccromet nên vấn
đề sai số trong cả ba trƣờng hợp phân tích trong chƣơng này ta vẫn cần phải xem xét. Điều
này rất quan trọng khi xây dựng bộ điều khiển, từ đó đƣa ra hƣớng phát triển tiếp theo của
đề tài
Chƣơng 3: Xây dựng thuật toán điều khiển
Trong chƣơng này, tác giả sẽ trình bày kết quả xây dựng bộ điều khiển dự báo thích
nghi có thành phần tích phân, sử dụng mô hình toán (2.21) đƣợc xây dựng trong chƣơng 2
để giải bài toán cho hệ mô hình phi tuyến đáp ứng các yêu cầu của bài toán đã đặt ra ở
chƣơng 1 và chƣơng 2.
Mô hình trạng thái tổng quát (3.13) chính là mô hình trạng thái tƣơng đƣơng của mô
hình (2.21), từ các giả thiết 1 và 2 có đƣợc phƣơng trình (3.1), (3.2), trong đó bỏ qua nhiễu
mô men ma sát trên trục động cơ, nhiễu tải, độ xoắn của trục động cơ. Trong mô hình
(3.13) các biến trạng thái x1, x2 là vị trí và vận tốc góc trục tải, x3, x4 là vị trí và vận tốc góc
trục động cơ, Ks là hệ số đàn hồi trục, α hệ số ma sát, θb góc khe hở của hộp số đƣợc xem
nhƣ là thành phần nhiễu phi tuyến điển hình biến đổi tác động vào hệ cuối cùng. Đây cũng
là mô hình toán mà luận án tập trung nghiên cứu trong chƣơng 3.
Tiếp theo chƣơng này luận án xây dựng phƣơng pháp điều khiển dự báo thích nghi có
thành phần tích phân, trong mục 3.4.4, cụ thể trong phƣơng trình (3.42) đã thực hiện bù
thành phần nhiễu bất định Gθb có lẫn trong tín hiệu ra phƣơng trình (3.30), sau đó đƣa ra
các bƣớc chi tiết thực hiện thuật toán lọc Kalman không liên tục. Phƣơng pháp đề xuất còn
thực hiện kết hợp đƣa thành phần bất định nhiễu dk = Gθb vào bộ điều khiển dự báo (3.31),
sau đó xác định đƣợc dãy các giá trị tín hiệu điều khiển tối ƣu trong tƣơng lai kể từ thời
6

điểm t = kTa, bao gồm Δuk, Δuk+1,…., Δuk+M-1. Trong đó M là khoản thời gian dự báo (hình
3.16), sao cho hàm mục tiêu dạng toàn phƣơng (3.37) đạt giá trị nhỏ nhất.
Chƣơng 4: Thực nghiệm
Để làm rõ hơn kết quả đã đạt đƣợc ở chƣơng 3, trong chƣơng 4 tác giả lựa chọn tiến
hành thực nghiệm điều khiển hệ thống phân phối vật liệu nano sử dụng bộ điều khiển MPC
để kiểm chứng tính đúng đắn của thuật toán đã đƣợc đề xuất và khả năng ứng dụng thuật
toán MPC trong bài toán phi tuyến bậc cao điều khiển chính xác vị trí.
Cuối cùng là kết luận và hƣớng phát triển tiếp theo của luận án.

7


Chƣơng 1. LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
Tóm tắt:
Trong chương này, tác giả trình bày lý thuyết cơ bản về công nghệ nano, khái niệm và
vai trò các phương pháp điều khiển tự động hóa trong chế tạo vật liệu nano. Từ đó đưa ra
các hệ thống liên quan đến việc phát triển hệ phân phối vật liệu nano, giới thiệu nguyên lý
hoạt động, cơ chế hoạt động. Phân tích các kết quả cùng hướng với đề tài, dựa trên những
công trình nghiên cứu đã được công bố gần đây ở trong và ngoài nước, đánh giá, so sánh
các ưu nhược điểm của từng phương pháp điều khiển, chỉ ra được các vấn đề còn tồn tại
của từng nghiên cứu. Từ đó làm cơ sở đề xuất hướng phát triển xây dựng mô hình toán
cũng như thuật toán mới ứng dụng cho hệ thống phân phối vật liệu nano.

1.1. Bài toán hệ thống phân phối vật liệu nano
Hệ thống phân phối bao gồm các hệ thống treo, chuyển động theo ba chiều độc lập
nhau trong không gian với độ phân giải bƣớc ở cỡ micromet, độ chính xác cỡ nanomet. Bề
mặt sản phẩm cần phân phối có diện tích cỡ micromet, trên một mặt phẳng, các tọa độ
điểm cần chuyển động tới thƣờng là cố định và đều nhau, vị trí chuyển động có thể đặt

trƣớc. Thời gian tác động tính bằng giây. Điều này cho phép hệ thống có thể thực hiện tốt
các tác vụ trong không gian hẹp mà vẫn đảm bảo độ chính xác cao. Hệ thống đi kèm phần
mềm điều khiển, ghép nối máy tính hoặc sử dụng các hệ thống nhúng để tạo điều kiện
thuận lợi cho ngƣời sử dụng, đồng thời đáp ứng đƣợc một số yêu cầu kỹ thuật theo bài toán
đặt ra trong phần mục tiêu.
Mục tiêu chính của bài toán là điều khiển vị trí, đảm bảo độ chính xác cao, độ lặp lại
và độ tin cậy của thao tác.

1.2. Tổng quan phần cứng hệ thống phân phối vật liệu
1.2.1. Khái niệm về hệ thống phân phối vật liệu
Hệ thống phân phối vật liệu, đƣợc coi là một hệ thống có hệ điều khiển tự động cho
phép phủ lên trên một bề mặt với địa hình bất kỳ, trong một khoảng diện tích rất nhỏ
những lƣợng vật chất rất nhỏ và có thể điều khiển đƣợc. Nghiên cứu, chế tạo và thao tác ở
thang nano đòi hỏi có nhiều ngành cùng tham gia và vì thế có thể đƣợc triển khai nghiên
cứu trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Hiện nay trên thế giới các hệ thống phân phối dùng để phân phối các vật liệu trong các
ngành công nghiệp, công nghệ sinh học, công nghệ vi cơ điện tử đều đang hƣớng tới công
nghệ nano. Để thực hiện điều này cần các thiết bị cơ khí chính xác. Hiện nay đã có các
nghiên cứu sử dụng công nghệ nano, các robot vi cơ điện tử MEMS và trong ngành công
nghệ sinh học nghiên cứu về ADN. Để có thể nghiên cứu và phát triển các ngành này thì
cần phải có một công cụ đáp ứng đƣợc yêu cầu với độ chính xác nanomet. Khi đó hệ thống
phân phối vật liệu nano sẽ đáp ứng đƣợc nhu cầu phát triển công nghệ nano [71].
8


1.2.2. Giới thiệu các phƣơng pháp chế tạo vật liệu nano
Các vật liệu nano có thể thu đƣợc bằng hai phƣơng pháp chế tạo phổ biến, mỗi phƣơng
pháp đều có những điểm mạnh và điểm yếu, có phƣơng pháp chỉ có thể đƣợc áp dụng với
một số vật liệu nhất định.
1.2.2.1. Phƣơng pháp tiếp cận từ dƣới lên

Bao gồm các phƣơng pháp nhƣ phƣơng pháp chế tạo vật liệu dùng trong hóa keo,
phƣơng pháp thủy nhiệt, phƣơng pháp sol-gel và kết tủa, lắng đọng hóa học ở pha hơi [23].
Đối với phƣơng pháp này, các dung dịch chứa ion khác nhau đƣợc trộn với nhau theo một
tỷ lệ phần trăm thích hợp, dƣới tác động của nhiệt độ, áp suất mà các vật liệu nano đƣợc
kết tủa từ dung dịch. Sau các quá trình lọc, sấy khô, ta thu đƣợc các vật liệu nano.
Ƣu điểm của phƣơng pháp tổng hợp theo tiếp cận từ dƣới lên là các vật liệu có thể chế
tạo đƣợc rất đa dạng, chúng có thể là vật liệu vô cơ, hữu cơ, kim loại. Đặc điểm của tiếp
cận này là có giá thành rẻ và có thể chế tạo đƣợc một khối lƣợng lớn vật liệu. Nhƣng nó
cũng có nhƣợc điểm là các hợp chất có liên kết với phân tử nƣớc có thể là một khó khăn.
Ví dụ, phƣơng pháp sol-gel tuy giản đơn, có thể điều khiển đƣợc kích thƣớc hạt và quy
trình chế tạo. Tuy nhiên, độ lặp lại không cao, đại diện ứng dụng cho nhóm các phƣơng
pháp này. Nhóm Larson cũng rất thành công trong việc phân phối vật liệu dùng hiệu ứng
áp điện [21, 23]. Nhóm cảm biến sinh học do Mai Anh Tuấn thuộc viện ITIM trƣờng Đại
học Bách khoa Hà Nội đứng đầu đã sử dụng các phƣơng pháp này để cố định các phần tử
cảm nhận lên trên các vi cảm biến nhằm phát hiện các chất gây ô nhiễm hoặc virut gây
bệnh [57, 58].
1.2.2.2. Phƣơng pháp tiếp cận từ trên xuống
Bao gồm các phƣơng pháp tán, nghiền, hợp kim cơ học. Theo phƣơng pháp này, vật
liệu ở dạng bột đƣợc nghiền đến kích thƣớc nhỏ hơn. Ngày nay, các máy nghiền thƣờng
dùng là máy nghiền kiểu hành tinh hay máy nghiền quay. Phƣơng pháp cơ học có ƣu điểm
là đơn giản, dụng cụ chế tạo không đắt tiền và có thể chế tạo với một lƣợng lớn vật liệu.
Tuy nhiên nó lại có nhƣợc điểm là các hạt bị kết tụ với nhau, phân bố kích thƣớc hạt không
đồng nhất, dễ bị nhiễm bẩn từ các dụng cụ chế tạo và thƣờng khó có thể đạt đƣợc hạt có
kích thƣớc nhỏ. Phƣơng pháp này thƣờng đƣợc dùng để tạo vật liệu không phải là hữu cơ
nhƣ là kim loại.
Ngoài ra, tiếp cận từ trên xuống còn bao gồm các phƣơng pháp quang khắc, lắng đọng
vật lý (bốc bay trong chân không, phún xạ). Các phƣơng pháp này áp dụng hiệu quả để chế
tạo màng mỏng hoặc lớp bao phủ bề mặt tuy vậy ngƣời ta cũng có thể dùng nó để chế tạo
hạt nano bằng cách tạo vật liệu từ đế. Các phƣơng pháp này thƣờng cho vật liệu có chất
lƣợng cao, chính xác, độ lặp lại cao nhƣng đòi hỏi đầu tƣ ban đầu lớn. Sergio Martinoia và

cộng sự đã sử dụng phƣơng pháp tƣơng tự để đặt các nơ ron thần kinh lên bề mặt của vi
điện cực dạng mảng [71].
Tiếp cận từ trên xuống còn bao gồm các phƣơng pháp nhiệt phân, nổ điện, đốt laser,
bốc bay nhiệt độ cao, plasma. Nguyên tắc của các phƣơng pháp này là hình thành vật liệu
9


nano từ pha khí. Nhiệt phân là phƣơng pháp có từ rất lâu, đƣợc dùng để tạo các vật liệu
đơn giản nhƣ carbon, silicon. Phƣơng pháp đốt laser thì có thể tạo đƣợc nhiều loại vật liệu
nhƣng lại chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm vì hiệu suất của chúng thấp. Phƣơng pháp
plasma một chiều và xoay chiều có thể dùng để tạo rất nhiều vật liệu khác nhau nhƣng lại
không thích hợp để tạo vật liệu hữu cơ vì nhiệt độ của nó có thể đến 90000C. Phƣơng pháp
hình thành từ pha khí dùng chủ yếu để tạo lồng carbon hoặc ống carbon, rất nhiều các công
ty dùng phƣơng pháp này để chế tạo mang tính thƣơng mại [39].
1.2.2.3. Phƣơng pháp phun phủ nhiệt phân
Phun phủ nhiệt phân là một trong những phƣơng pháp chế tạo pin mặt trời. Phun phủ
nhiệt phân là kỹ thuật tạo màng bằng cách phun các giọt dung dịch có chứa các tiền chất
lên bề mặt đế đƣợc gia nhiệt, màng đƣợc hình thành trên đế thông qua phản ứng hóa học
giữa các tiền chất. So với các phƣơng pháp lắng đọng khác, phƣơng pháp phun nhiệt phân
có nhiều ƣu điểm sau.
- Phản ứng tạo pha mong muốn xảy ra nội tại trong từng giọt chất lỏng nên màng tạo
ra có độ đồng nhất cao về thành phần hóa học, hình thái và kích thƣớc hạt.
- Các tính chất vật liệu nhƣ kích thƣớc hạt, bề dày màng có thể điều khiển bằng cách
thay đổi điều kiện công nghệ nhƣ nồng độ dung dịch phun, tốc độ phun, thời gian phun.
- Phun nhiệt phân không đòi hỏi công nghệ khắt khe, quá trình phun đƣợc thực hiện
ở áp suất khí quyển.
- Có thể tạo đƣợc màng đơn lớp, đa lớp.
- Không hạn chế về vật liệu làm đế.
Nhóm cảm biến sinh học do Mai Anh Tuấn thuộc viện ITIM trƣờng Đại học Bách khoa
Hà Nội đứng đầu đã sử dụng các phƣơng pháp phun phủ nhiệt phân để chế tạo pin mặt trời

màng mỏng [74].
1.2.3. Tổng quan các nghiên cứu phần cứng hệ thống phân phối vật liệu nano
Trong ngành khoa học vật liệu và công nghệ nano, hệ thống thao tác và phân phối vật
liệu đƣợc sử dụng trong việc tổng hợp vật liệu, chế tạo linh kiện ở thang nano. Hệ thống
phân phối vật liệu là một thiết bị mang tính chất liên ngành. Nhờ điều này, chúng có thể
đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau ví dụ trong công nghệ in điện tử. Nhờ khả
năng thích ứng cao, những hệ thống này cho phép in các vật liệu có cấu trúc nano lên
những vật liệu mang khác nhƣ in ống nano các bon và grapheme. SergioMartinoia và cộng
sự [71] đã sử dụng hệ thống tƣơng tự để đặt các nơ-ron thần kinh lên trên bề mặt của vi
điện cực dạng mảng nhƣ trong (hình 1.1) và (hình 1.2).

10


Hình 1.1 Hệ mô phỏng đặt các nơ ron thần kinh
[71]

Hình 1.2 Kết quả mô phỏng đặt nơ ron thần
kinh [71)

Nhóm của Larson cũng đã rất thành công trong việc chế tạo bộ phận phân phối dùng
hiệu ứng áp điện tử, dựa trên công nghệ vi cơ điện tử [23] nhƣ chỉ ra trong (hình 1.3, 1.4,
1.5, 1.6). Hiện đã đăng ký thành công sáng chế tại Mỹ cho sản phẩm này [21]. Bộ phận vòi
phun có thể đƣợc nạp đầy thông qua một mao quản bằng cách nhúng trong dung dịch sẽ
đƣợc phân phối, sau đó đƣợc đƣa tới những vị trí mong muốn trên đế. Tại đó, cảm biến
phát siêu âm sẽ đƣợc kích hoạt ở một tần số phù hợp và nhỏ dịch với thể tích xác định.

Hình 1.3 Hệ của larson [23]

Hình 1.4 Kết quả hệ vi cơ điện tử [23]

Hình 1.5 Ảnh chụp nhỏ dung dich [23]

Hình 1.6 Khoảng cách phân phối [23]

Các nhà khoa học thuộc nhóm nghiên cứu của Giáo sƣ Michael Winokur, trƣờng đại
học Wisconsin cũng đã sử dụng phƣơng pháp này để chế tạo các đi-ôt phát quang [39].
11


Trong nƣớc cũng đã bắt đầu có một số nhóm nghiên cứu sử dụng phƣơng pháp này
cho ứng dụng cảm biến sinh học trên cơ sở đánh dấu nhƣ nhóm của TS. Tống Duy Hiển tại
Phòng thí nghiệm Nano, thuộc Đại học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh. Tại đại học
Bách Khoa Hà nội, nhóm cảm biến sinh học do PGS.TS. Mai Anh Tuấn đứng đầu cũng đã
sử dụng các hệ phân phối vật liệu nano nhƣng ở mức rất thô sơ để cố định các phần tử cảm
nhận lên trên các vi cảm biến nhằm phát hiện các chất gây ô nhiễm hoặc virut gây bệnh
[57, 58, 74].
Trong những năm gần đây, các thiết kế hệ chuyển động [70, 72, 73] sử dụng động cơ
truyền chuyển động thông qua hệ cơ khí gắn với trục vít me bi, gá bởi các gối đỡ bi. Cách
thiết kế này có nhiều thành phần gây ra ma sát và quán tính của động cơ làm giảm hiệu
suất động năng và độ chính xác vị trí, gây mất ổn định cho bộ điều khiển. Cùng với đối
tƣợng điều khiển vị trí sử dụng động cơ DC các nghiên cứu [16, 30, 34, 64, 73]. Nghiên
cứu sâu hơn đƣợc thực hiện cũng đã xét đến một số thành phần phi tuyến nhƣ ma sát nhớt
[25, 49, 51, 60, 65, 67, 75]. Trong đó kể đến thuật toán sử dụng bộ điều khiển thích nghi và
thông minh có các khâu bù ma sát. Các nghiên cứu trên đều bỏ qua một số thành phần phi
tuyến khác nhƣ hiện tƣợng backlash, độ xoắn của trục, độ nhiễu của tải… Bởi vậy chất
lƣợng của hệ vẫn còn phải xem xét.
Trong các nghiên cứu [34, 73] nhiều các giải pháp kỹ thuật đã đƣợc thực hiện, giải
pháp sử dụng mô hình kép là phổ biến, phƣơng pháp này điều khiển vị trí chính xác đƣợc
ứng dụng vì đơn giản và hiệu quả trong việc xử lý các hiện tƣợng khác nhau trong các giai

đoạn khác nhau của chuyển động (gây ra bởi ma sát phi tuyến), bằng cách tuyến tính hai
mô hình (hoặc mô hình kép). Tuy nhiên, rất khó để kết hợp hai bộ điều khiển để làm việc
cùng nhau, trong đó động lực học liên quan đến hệ số ma sát, mặc dù đối tƣợng đƣợc xác
định on-line, hoặc dùng phƣơng pháp điều khiển thích nghi. Trong thực tế, ma sát trƣợt là
phi tuyến và có thể thay đổi theo thời gian, từ một điểm hoạt động khác, theo môi trƣờng
khác nhau. Khi đó chất lƣợng của hệ bị thay đổi, rất dễ gây mất ổn định. Nghiên cứu ghép
hai mô hình vào có một số hạn chế đã đƣợc các nghiên cứu [25] chứng minh. Vì vậy, với
một hệ đòi điều khiển vị trí hỏi chất lƣợng cao cỡ micro, thì bộ điều khiển phải đƣợc điều
chỉnh theo điều kiện vận hành.
Trong các ứng dụng thực tế, khâu tỷ lệ - tích phân - vi phân (PID) là một trong những
ứng dụng phổ biến nhất, cấu trúc điều khiển đơn giản, độ tin cậy và thuận lợi trong khâu
điều chỉnh thích hợp trong môi trƣờng công nghiệp, do sự phổ biến đó đã có rất nhiều
nghiên cứu thực hiện [17, 18]. Tuy vậy, trong khi ngày càng nhiều sự quan tâm đƣợc tập
trung và nâng cao chất lƣợng kiểm soát khử ma sát, áp dụng thuật toán điều khiển PID cho
điều khiển vị trí chính xác đã ít nhận đƣợc chú ý. Nó thƣờng đƣợc thừa nhận rằng điều
khiển PID là không đạt yêu cầu. Bởi vì dù sao nó vẫn mang một số các nhƣợc điểm của bộ
điều khiển PID.
Trong các nghiên cứu [3, 4], đã đƣa ra một số giải pháp nâng cao chất lƣợng hệ
chuyển động có khe hở, đạt đƣợc một số kết quả sau:
12