Nghiên cứu điều khiển hệ thống vận chuyển vật liệu dạng băng

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
Tơi xin cam đoan đây là cơng 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 10 tháng 07 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
Trải qua một thời gian dài, khó khăn và nhiều thử thách, tác giả cũng đã hoàn
thành bản luận án của mình. Trong suốt q trình đó, tác giả đã luôn nhận được sự
giúp đỡ hỗ trợ của các đơn vị chuyên môn, tập thể hướng dẫn, các nhà khoa học, gia
đình và đồng nghiệp.
Qua đây tác giả muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn đã tâm
huyết hướng dẫn tác giả trong suốt thời gian qua.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp, tập thể
Bộ môn Tự động hóa Cơng nghiệp đã có những đóng góp quý báu, đã nhiệt tình
giúp đỡ, cung cấp tài liệu tham khảo và đã hỗ trợ về thiết bị thí nghiệm, hướng dẫn
vận hành để tác giả có thể hồn thành một số thực nghiệm của luận án. Tác giả cũng
xin chân thành cảm ơn các Phòng ban của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã
tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận án.
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 đồng ý về chủ trương, tạo điều
kiện thuận lợi để tác giả sắp xếp thời gian vừa hoàn thành nhiệm vụ chun mơn
vừa hồn thành luận án của mình.
Đặc biệt tác giả muốn gửi lời cám ơn tới toàn thể gia đình, bạn bè đã hết lịng
ủng hộ, chia sẻ cả về tinh thần và vật chất để tác giả hoàn thành tốt nội dung nghiên
cứu 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 mơ 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
MƠ HÌNH TỐN 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 tốn 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 mơ hình tốn học cho WTS ............................................ 36
2.3.1 Mơ hình tổng qt cho hệ có nhiều lơ dẫn ........................................... 37
2.3.2 Mơ hình tốn học cho một số WTS điển hình ...................................... 38
2.3.3 Nhận xét chung ................................................................................... 41
2.4 Xét ảnh hưởng của tham số mơ hình ............................................................. 43
2.4.1 Mơ 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 mơ 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 mơ 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 tốn 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 tốn 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 tốn RBF...................98
4.3.4 Kết quả mơ phỏng................................................................................ 99

4.5 Kết luận chương 4........................................................................................ 103
KÊT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................ 104
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG 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
STT

Từ viết tắt

Ý nghĩa

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

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 lơ thứ i

05

ωu

rad/s

Vận tốc góc của lơ tở

06

vi

m/s

Vận tốc lơ 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

0

17

Ý Nghĩa

kg/m3

Khối lượng riêng trước biến dạng

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- dịng khối lượng

19

S

m2

Diện tích tồn phần của phân tố khối lượng vật liệu

20

dS

m2

Vi phân diện tích của bề mặt - mặt cắt vật liệu vng
góc với hướng biến dạng

21

dm

kg

Vi phân khối lượng của đoạn vật liệu
vii


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 lơ tở

28

rr

m

Hàm bán kính theo thời gian của lơ cuộn lại

29

Rr

m

Bán kính ban đầu lơ cuộn

30

Ru

m

Bán kính ban đầu lơ tở

31

Ju0

kg.m2

Mơ men qn tính đối với lơ vật liệu có lõi bằng thép

32

Jr0

kg.m2

Mơ men qn tính của lõi thép của lơ cuộn lại

33

β

34
35
36

bfi

m3

Thể tích của phân tố khối lượng của đoạn vật liệu

Độ biến dạng vật liệu

rad

Tổng thông lượng khối truyền qua một tiết diện xác định

Góc ơm giữa vật liệu và lơ thép

Nm.s

Hệ số cản giữa trục lô cuộn lại và ổ đỡ

Nm.s

Hệ số cản giữa trục lô dẫn thứ i và ổ đỡ của nó

Nm.s

Hệ số cản giữa ổ đỡ và trục lơ

viii


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng mơ hình hóa WTS............................................ 15
Bảng 2.1: Các thơng số cơ bản của mơ hình............................................................ 43
Bảng 2.2: Giá trị mơ đun dàn hồi theo một số vật liệu cơ bản (nguồn: [1]).............44
Bảng 2.3: Thơng số mơ hình WTS (nguồn:[19])..................................................... 46
Bảng 2.4 Giá trị lực căng đặt và vận tốc dài đặt cho mơ hình WTS........................50

Bảng 3.1 Thơng số bộ điều khiển cho mô phỏng bộ điều khiển thiết kế theo 3.2....59
Bảng 3.2 Sai lệch lực căng khi mơ 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 thơng 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 mơ hình có thơng 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 Hịa (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 Mơ hình thực nghiệm cho WTS (nguồn: [13]).................................................... 9
Hình 1.7 Mơ hình 3D WTS........................................................................................................... 9
Hình 1.8 Ví dụ WTS có lơ cuộn theo ngun lý cuộn nổi.............................................. 11
Hình 1.9 Ví dụ WTS có lơ tở theo ngun lý phanh từ.................................................... 12
Hình 1.10 WTS có lơ tở và lơ cuộn theo ngun lý hướng tâm...................................... 12
Hình 1.11 Đặc tính lực căng và vận tốc dài yêu cầu của WTS........................................ 13
Hình 1.12 Mơ hình cơ khí cho WTS theo ngun lý hướng tâm.................................... 14
Hình 1.13 Mơ hình WTS nhiều phân đoạn lực căng (nguồn: [17])............................... 16
Hình 1.14 Mơ hình WTS một phân đoạn lực căng (nguồn: [18])................................... 16
Hình 1.15 Mơ hình tốn 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 ngun lý hướng tâm.................23
Hình 2.2 Nguyên lý vận chuyển vật liệu dạng băng qua lơ tở....................................... 24
Hình 2.3 Ngun lý vận chuyển vật liệu dạng băng qua lơ cuộn................................. 25
Hình 2.4 Ngun lý vận chuyển vật liệu dạng băng qua lơ dẫn.................................... 25
Hình 2.5 Tương tác giữa vật liệu và lơ dẫn........................................................................... 27
Hình 2.6 Mơ hình cuộn tở và lơ dẫn 1.................................................................................... 28
Hình 2.7 Phân tố vật liệu di chuyển theo thời gian............................................................ 30
Hình 2.8 Mơ men qn tính trên lơ tở..................................................................................... 32
Hình 2.9 Mô men của ngoại lực tác dụng lên lô tở và lơ dẫn thứ nhất.......................33
Hình 2.10 Mơ men của ngoại lực tác dụng lên lô cuộn và lô dẫn thứ n.......................34
Hình 2.11 Mơ men của ngoại lực tác dụng lên lơ dẫn chủ động và bị động...............35
Hình 2.12 Mơ hình WTS một phân đoạn................................................................................. 38
x


Hình 2.13 Mơ hình của WTS một đoạn vật liệu.................................................................... 38
Hình 2.14 Mơ hình WTS có 2 lơ dẫn chủ động..................................................................... 41
Hình 2.15 Mơ hình của WTS ba đoạn vật liệu....................................................................... 41
Hình 2.16 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới mơ đun đàn hồi (nguồn:[61]).......................... 43
Hình 2.17 Ảnh hưởng của lơ 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 và biến dạng tương đối (nguồn: [68])...........47
Hình 2.20 Tương tác giữa lơ dẫn và vật liệu........................................................................... 48
Hình 2.21 Q trình thay đổi lực căng qua các lơ 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 Mơ hình thiết kế WTS cho hệ thống thực nghiệm trên phần mềm Autodesk
Inventor 2019............................................................................................................... 51

Hình 2.25 Hình ảnh thưc tế của mơ hình WTS thực nghiệm tại phịng 407 -tầng 4 tồ
nhà C1B - Đại học Bách Khoa Hà Nội.............................................................. 51
Hình 3.1 Mơ 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 lơ tở và lơ cuộn sử dụng back-stepping..................... 61
Hình 3.7 Mơ men M u , Mr 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 mơ 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 lơ cuộn........................................................................... 73
Hình 3.16 Đáp ứng của vận tốc góc lơ 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 thơng 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 lơ tở và lơ cuộn khi sử dụng DSC....................... 87
Hình 4.6 Đáp ứng lực căng khi bất định thơng số 10%.................................................... 87
Hình 4.7 Sai lệch lực căng khi bất định thơng số 10%..................................................... 87
Hình 4.8 Đáp ứng lực căng khi bất định thơng 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 lơ 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 trị 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 cịn đảm bảo cơng 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 khơng phải lúc nào cũng đem lại chất lượng mong muốn mà
thường có đáp ứng chậm, độ ổn định thấp, độ chính xác khơng 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 mơ 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 tốn 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 lơ tở và lơ 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 mơ hình tốn học tổng qt cho WTS có xét đến biến thiên của mơ
men qn tính của lơ tở và lơ cuộn.
- Xây dựng thuật tốn điều khiển hệ thống với các trường hợp: thông số mơ
hình được xác định rõ và thơng số mơ hình biến thiên, bất định.
- Mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng tính đúng đắn các thuật tốn được đề
xuất.
4. Phương pháp nghiên cứu
Tìm hiểu và xây dựng mơ 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 tốn học. Thêm vào đó các mơ 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:
-

Mơ hình hóa dạng tổng quát thể hiện rõ tính phi tuyến trong các phương trình
động lực học lơ 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 mơ men qn tình lơ 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 trị 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 tốn điều khiển khơng 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 tốn 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 khơng cần sử dụng cảm biến lực, giảm
thời gian tinh chỉnh, tính tốn thơng số mơ hình hệ thống và tăng khả năng thích

nghi với sự thay đổi thơng số mơ 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 qt hóa các bước xây dựng mơ hình tốn học cho WTS, xây
dựng mơ hình có xét đến thành phần biến thiên của mơ men qn tính lơ tở và lơ
cuộn, phân tích đánh giá mơ hình từ đó xác định các nhiệm vụ cụ thể để phục vụ
cho thiết kế điều khiển. Lựa chọn và xây dựng mơ 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 backstepping 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 mơ hình đã biết hoặc bị ảnh hưởng của thành phần bất định trong
khoảng nhỏ. Tiếp theo đề xuất xây dựng thuật tốn 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 mơ 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 trị 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 khơng chỉ là các sản phẩm thiết yếu trong đời sống con người mà cịn đóng vai trị
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 giấy-Trường
Cao Đẳng Nghề Công nghệ Giấy và Cơ Điện - Phú Thọ, nhà máy giấy Bãi Bằng- Phú
Thọ và nhà máy giấy An Hòa -Tuyên Quang 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 trọn
nghiên cứu và đã có rất nhiều cơng 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


➢ Với một số ngành sản xuất phim nhựa trong lĩnh vực điện tử, sản xuất pin
năng lượng mặt trời, … mặc dù đây là một lĩnh vực mới nhưng đang là một trong
những lĩnh vực ứng dụng có xu thế quan trọng và rộng rãi hiện nay. Vật liệu dạng
phim nhựa mang những đặc tính chung của vật liệu dạng băng (giấy, vải, tơn, …) có
các đặc điểm như mỏng, liên tục, có tính đàn hồi, dễ bị khuyết tật khi vận chuyển và
xử lý. Tuy nhiên vật liệu này cũng có những yêu cầu cao hơn như là độ mỏng, độ
rộng, cơng nghệ xử lý in, tích hợp cao hơn, …. Chính vì vậy hiện nay các nghiên
cứu trên thế giới cho WTS cũng đang được phát triển cho vật liệu dạng này.
Vai trị của WTS (Hình 1.3) trong việc đổi mới công nghệ năng lượng sạch
trong sản xuất tiên tiến được đánh giá và tổng hơp theo [9]. Hình 1.3 cho ta thấy
WTS (Roll-to-Roll Processing), là một mắt xích quan trọng tham gia vào q trình
sản xuất vật liệu để cung cấp cho rất nhiều ứng dụng khác nhau trong lĩnh vực năng
lượng tái tạo. Một số ứng dụng điển hình như vật liệu dạng băng được sử dụng sản
xuất các tấm pin năng lượng mặt trời trong hệ thống điện (Electric Power), phim
nhựa dán cửa sổ cách nhiệt trong các tòa nhà (Buildings), các điện cực và màng tế
bào nhiên liệu trong vận chuyển (Transportation)…

Hình 1.3 Vai trò của xử lý WTS trong sản xuất năng lượng tái tạo (nguồn: [9])
Đặc biệt trong lĩnh vực sản xuất điện tử, vật liệu dạng băng có mật độ ứng dụng
cao với thiết kế nhỏ gọn theo [10], [11] thì nhu cầu vật liệu trong cơng nghiệp điện
tử trong tương lai sẽ ngày càng tăng (Hình 1.4).
7


Hình 1.4 Xu hướng vật liệu được ứng dụng trong ngành điện tử (nguồn: [11])

Theo kết quả khảo sát và dự báo đến năm 2031 (Hình 1.4), vật liệu dạng phim
nhựa sẽ tiếp tục có xu hướng ngày càng tăng. Trong đó nổi bật là vật liệu OLED được
dùng với vai trò hiển thị số (digital display) trong các thiết bị như màn hình của tivi,
máy vi tính, điện thoại di động và các thiết bị số khác. Vật liệu OPV được ứng dụng
chủ yếu trong chế tạo pin quang điện (pin mặt trời) hữu cơ. Đặc biệt quá trình xử lý cho
vật liệu dạng băng, khơng chỉ có vật liệu phim nhựa mà cả giấy vải… đều cần quá trình
xử lý như ép dính (Hình 1.5), cán, in ấn…Đây là q trình khơng chỉ địi hỏi cơng nghệ
cao về phần cơ khí mà cịn địi hỏi u cầu cao về kỹ thuật điều khiển.

Hình 1.5 Quá trình ép nguội sản xuất pin năng lượng mặt trời (nguồn: [12])
Qua các số liệu tổng quan về WTS, ta có thể khẳng định vai trị của WTS trong
cơng nghiệp là rất quan trọng, ta có thể thấy WTS vẫn đang và sẽ đóng vai trị rất
quan trọng trong q trình sản xuất, xử lý các vấn đề cho vật liệu dạng băng. Đặc
biệt, vật liệu được chọn cho nghiên cứu của luận án có xu hướng gia tăng sử dụng
trong tương lai. Điều này có thể minh chứng qua số liệu cụ thể theo các khảo sát các
nghiên cứu gần đây, các nghiên cứu đều tập trung vào cho các WTS sử dụng các vật
8


liệu dạng phim nhựa. Theo thống kê từ hội thảo lần thứ 15 năm 2019 của IWEB [4],
hội nghị có 23 bài được cơng bố, trong đó có 12 bài có kết quả thực nghiệm, và 11
bài có kết quả dựa trên mơ hình thực nghiệm, vật liệu chọn nghiên cứu chủ yếu
dạng phim nhựa (PET).

Hình 1.6 Mơ hình thực nghiệm cho WTS (nguồn: [13])
Như vậy với xu hướng về các nghiên cứu, đặc biệt là các nghiên cứu về điều
khiển cho hệ tập trung vào WTS như trên, luận án sẽ tập trung nghiên cứu WTS với
vật liệu là dạng phim nhựa.
1.1.2 Cấu tạo và phân loại
WTS được sử dụng trong thực tế gồm nhiều cơng đoạn địi hỏi cơng nghệ cao,

chính xác tuyệt đối như sản xuất cuộn phim, tấm pin năng lượng mặt trời,…và đặc
biệt có cấu tạo phức tạp. WTS thường sẽ khơng có cấu tạo giống nhau hoàn toàn tùy
thuộc vào loại vật liệu, yêu cầu công nghệ cụ thể và phương thức cuộn do loại vật
liệu được sử dụng cho hệ thống là không giống nhau. Tuy vậy các WTS vẫn cần
phải có các thành phần cơ bản như Hình 1.7:

Hình 1.7 Mơ hình 3D WTS
9


a) Một số thành phần cơ
bản Lô tở (Unwinder roll):
Là một trong 2 thành phần quan trọng
nhất của hệ thống. Lô tở ban đầu sẽ được
mang một khối lượng vật liệu nhất định,
thơng qua q trình xử lý theo u cầu
công nghệ, lượng vật liệu này sẽ được
chuyển sang lô cuộn qua hệ thống truyền
động và lô dẫn. Lô tở ra thường được
truyền động bằng động cơ một chiều,
động cơ xoay chiều hoặc phanh từ.
Lơ dẫn (Guide-roll):
Lơ dẫn có nhiệm vụ dẫn vật liệu, có chiều
quay theo chiều di chuyển của vật liệu từ
lơ tở tới lơ cuộn. Nó có nhiệm vụ định vị,
làm phẳng và căng đều vật liệu trước khi
được xử lý tùy theo yêu cầu và được cuộn
lại thành từng lô.
Lô cuộn (Rewinder roll):
Lô cuộn trong trường hợp cuộn hướng tâm

tương tự lơ tở, cịn chiều vật liệu thì
ngược lại. Lơ cuộn trong trường hợp cuộn
nổi thì được điều khiển gián tiếp thông
qua điều khiển hệ tang trống và cuộn đè.
Đây cũng là một trong những nhược điểm
của WTS theo kiểu cuộn nổi (floating), vì
cuộn vật liệu không được giữ cố định, cho
nên việc điều khiển khá phức tạp, phải
thơng qua nhiều động cơ và các tín hiệu
phản hồi để ổn định hệ thống.
Cảm biến (Sensors):
Hệ thống cảm biến, như cảm biến lực
căng (load cell) được lắp đặt ngay bên
dưới bản giấy, thơng báo tín hiệu về ngay
hệ thống để dùng điều khiển cho hệ thống
ổn định cũng như thông báo cho hệ truyền
động xử lý các yêu cầu công nghệ khi hệ
thống đã ổn định.
10


b) Phân loại theo nguyên lý cuộn
Trong thực tế tùy theo vật liệu và yêu cầu công nghệ mà WTS được thực hiện
theo một số nguyên lý khác nhau, nổi bật nhất là 3 nguyên lý: Nguyên lý cuộn
hướng tâm (Center drive), nguyên lý cuộn nổi (Floating drive) và nguyên lý cuộn sử
dụng phanh từ. Trong thực tế các WTS có thể là tổ hợp của các nguyên lý trên, ta
thường gặp nhất các tổ như hướng tâm-hướng tâm, hướng tâm-cuộn nổi, phanh từhướng tâm, phanh từ-cuộn nổi…Việc sử dụng tổ hợp nào phụ thuộc vào công nghệ,
thiết bị, và vật liệu.
+ Nguyên lý cuộn nổi
Nguyên lý cuộn nổi là phương pháp chủ yếu áp dụng cho lơ cuộn (Hình 1.8),

thường được áp dụng cho vật liệu là giấy. Theo số liệu khảo sát tại nhà máy giấy An
Hòa (Xã Vĩnh Lợi, Huyện Sơn Dương, Tỉnh Tuyên Quang). Lô cuộn không được
truyền lực trực tiếp từ trục lô mà việc cuộn lại được điều khiển bởi ba cuộn trung
gian là cuộn đè, tang trống trước và tang trống sau. Lô cuộn lại được đặt ở giữa ba
cuộn trên, trong đó hai cuộn tang trống được đặt cạnh nhau và ở phía dưới. Tốc độ
quay của lơ cuộn điều khiển bởi ba lô đè và tang trống trước và tang trống sau.

Hình 1.8 Ví dụ WTS có lơ cuộn theo ngun lý cuộn nổi
WTS sử dụng nguyên lý cuộn nổi, đặc biệt là giấy, được dùng rộng rãi cho lô cuộn.
Một trong nhưng ưu điểm của kết cấu này cuộn nổi là vật liệu sẽ được là phẳng do khi
vào cuộn sẽ được miết phẳng bởi các trống và lô đè, tránh các lỗi nhăn, gấp khúc…. Để
thực hiện được nguyên lý này thì mặt lơ và bề mặt của vật liệu phải có
một ma sát phù hợp và địi hỏi hệ thống có hệ truyền động phức tạp, riêng lơ cuộn
sẽ có tới 3 hệ truyền động phối hợp.
Vì vậy xét về mặt điều khiển, đây cũng là một trong những khó khăn thách thức
của WTS theo kiểu cuộn nổi, vì cuộn vật liệu khơng được giữ cố định, nên việc điều
khiển rất phức tạp, phải thông qua nhiều động cơ và các tín hiệu phản hồi để ổn
định hệ thống.
+ Nguyên lý cuộn có sử dụng phanh từ
Đây cũng là một nguyên lý được sử dụng trong công nghiệp, nó tương đối giống
các nguyên lý cuộn nổi và hướng tâm. Điểm khác biệt nhất là cuộn tở ra hoàn toàn

11


khơng được truyền động bằng động cơ mà chỉ có lô cuộn lại được điều khiển. Tuy
nhiên, lô tở ra được trang bị một hệ thống phanh từ, để phục vụ các yêu cầu công
nghệ và được sử dụng rộng rãi trước đây cho những WTS chưa có bộ điều khiển tập
trung. Lơ tở sẽ đóng vai trị hoạt động ở chế độ hãm và sử dụng phanh từ trong
trường hợp này sẽ rất phù hợp. Hiện nay trong một số WTS, phanh điện từ được

thay bằng hệ truyền động một chiều.

Hình 1.9 Ví dụ WTS có lơ tở theo nguyên lý phanh
từ + Nguyên lý cuộn hướng tâm
Công nghệ sử dụng nguyên lý hướng tâm hầu như giống với công nghệ theo
nguyên lý cuộn nổi. Hệ thống cũng bao gồm các khối quan trọng như lô cuộn, lô tở,
cảm biến, lô dẫn, …Nhiệm vụ của các lô cũng giống như đối với công nghệ cuộn
nổi (floating). Điểm khác biệt của cuộn hướng tâm so với cuộn nổi là lô cuộn được
truyền động bởi một động cơ duy nhất và được giữ cố định trên trục động cơ.
Trong nguyên lý hướng tâm, các cuộn chính đều được truyền động trực tiếp
bằng các động cơ thay vì gián tiếp như cuộn nổi. Động cơ truyền động có thể là
động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha, động cơ 1 chiều kích từ độc lập hay một
số loại động cơ đặc biệt có cơng suất cao. Một trong những ưu điểm nổi bật của
nguyên lý này là hệ thống truyền động đơn giản, không thông qua điều khiển gián
tiếp các động cơ trung gian, cho nên trong công nghiệp nguyên lý này được áp dụng
rộng rãi. Thêm nữa, nguyên lý hướng tâm này có thể ứng dụng cho rất nhiều dạng
vật liệu khác nhau và đang là nguyên lý được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng
vận chuyển và xử lý vật liệu dạng băng hiện nay.

Hình 1.10 WTS có lô tở và lô cuộn theo nguyên lý hướng tâm
12