Nghiên cứu thiết kế mô hình máy xúc điều khiển tự động phục vụ công tác đào tạo

Máy xúc là một trong các thiết bị được sử dụng khá phổ biến trong nhiều lĩnh vực. Điều khiển tự động từ xa cho các máy xúc đóng một vai trò quan trọng trong ứng dụng thực tiễn ví dụ như trong lĩnh vực hạt nhân, xây dựng, cứu hộ cứu nạn,... Để thực hiện một công việc cụ thể máy xúc tự động cần phải hoàn thành hai nhiệm vụ đó là xác định đường đi từ vị trí ban đầu đến điểm đích và thực thi công việc xúc tải thông qua các thuật toán điều khiển đã cài đặt trước. Do vậy, bài toán điều khiển cho một hệ thống máy xúc là bài toán phức tạp và vẫn không ngừng nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học. Trước đây, việc nghiên cứu về máy xúc chủ yếu tập trung vào việc mô hình hóa bao gồm mô hình động học, mô hình tương tác giữa máy và môi trường, nhận dạng tham số mô hình. Điều đáng lưu ý trong vận hành máy xúc tự động là người vận hành phải cảm nhận được điều kiện làm việc khi gàu xúc chạm tải, nếu không cảm nhận được sự tiếp xúc này thì hiệu quả làm việc của máy xúc tự động sẽ thấp hơn máy xúc vận hành trực tiếp từ người điều khiển. Chính vì thế, việc điều khiển tay máy với một lực phản hồi hợp lý là vấn đề chính trong điều khiển máy xúc. Bên cạnh việc thiết kế điều khiển cho các máy xúc thủy lực thực tế thì cũng có một số các nghiên cứu dựa trên mô hình ảo. Việc sử dụng mô hình ảo để kiểm chứng thuật toán điều khiển giúp tiết kiệm về chi phí, đảm bảo an toàn đồng thời cũng đánh giá được chất lượng bộ điều khiển ở một mức độ chính xác nhất định.

Nhằm làm chủ được công nghệ chế tạo mô hình máy xúc điều khiển tự động phục vụ công tác giảng dạy và chế tạo được mô hình máy xúc điều khiển tự động phục vụ công tác đào tạo, nhóm nghiên cứu do TS. Nguyễn Thị Việt Hương, Trường Cao đẳng Công nghiệp Thái Nguyên đứng đầu đã tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu thiết kế mô hình máy xúc điều khiển tự động phục vụ công tác đào tạo”. Trong phạm vi đề tài này, nhóm nghiên cứu đề xuất 02 bộ điều khiển là PD và bộ điều khiển thích nghi bền vững cho hệ cánh tay máy xúc; Thông qua kết quả mô phỏng để kiểm chứng với bộ điều khiển PD, hệ thống chỉ hoạt động tốt khi các yếu tốt của mô hình là xác định, khi có nhiễu loạn tải thì sai lệch vị trí xuất hiện và khi có thêm nhiễu mô hình thì sai lệch này tăng lên. Điều đó chứng tỏ rằng ở bộ điều khiển PD sai lệch vị trí sẽ tăng lên khi có thêm nguồn nhiễu. Trong khi đó, với bộ điều khiển thích nghi, đáp ứng của của hệ thống đối với các sai lệch mô hình cũng như nhiễu tải là khá tốt, quỹ đạo của các khớp bám theo giá trị đặt ngay cả khi tham số mô hình là bất định và chịu tác động của nhiễu từ bên ngoài. Đề tài đã đưa ra cấu trúc điều khiển thích nghi bền vững, không phụ thuộc mô hình đối tượng cho hệ thống cánh tay máy xúc. Bộ điều khiển có cấu trúc đơn giản, dễ thực hiện nhưng vẫn đảm bảo được đáp ứng tốt trước những bất định của hệ thống. Sự ổn định và phù hợp của bộ điều khiển được chứng minh thông qua lý thuyết ổn định Lyapunov và được kiểm nghiệm thông qua mô phỏng. Các kết quả mô phỏng cho thấy, các khớp của cánh tay máy xúc bám vị trí đặt rất tốt ngay cả khi có sự ảnh hưởng của nhiễu tải hay sự tác động từ sự bất định của mô hình hệ thống. Cuối cùng là cài đặt máy tính kết nối với mô hình thực, xây dựng bài tập thực hành sử dụng bộ điều khiển PD phù hợp với đối tượng người học trình độ đào tạo trung cấp và cao đẳng.

Như vậy, trong khuôn khổ đề tài cũng như thời gian thực hiện đề tài còn hạn chế (từ 01/2018 đến 12/2018), nhóm thực hiện đề tài đưa ra những kết luận cơ bản sau đây:

Khi hệ thống chạy không tải và tham số mô hình là định mức, đáp ứng vị trí của các khớp với cả hai bộ điều khiển gần như là tuyệt đối theo giá trị đặt, sai lệch không đáng kể. Ở trường hợp 2, các tham số hệ thống vẫn giữ định mức nhưng máy xúc hoạt động ở chế độ đầy tải. Đối với bộ điều khiển thích nghi đáp ứng của các khớp gần như không có sự sai lệch so với quỹ đạo đặt. Trong khi đó, với Bộ điều khiển PD, vị trí các khớp có sự sai lệnh so với quỹ đạo đặt (khoảng 0.05 rad). Trong trường hợp hệ thống chạy đầy tải và tham số mô hình thay đổi các kết quả thu được đối với bộ điều khiển thích nghi vẫn tương đối tốt, sai lệch vị trí gần như bằng không. Còn đối với Bộ điều khiển PD, giá trị sai lệch vị trí lớn nhất khoảng 0.15 rad.

Từ kết quả mô phỏng, với Bộ điều khiển PD, hệ thống chỉ hoạt động tốt khi các yếu tố của mô hình là xác định. Khi có nhiễu loạn tải thì sai lệch vị trí xuất hiện (0.05rad) và khi có thêm nhiễu mô hình thì sai lệch này tăng lên (0.15rad). Điều đó chứng tỏ rằng ở bộ điều khiển PD sai lệch vị trí sẽ tăng lên khi có thêm nguồn nhiễu. Trong khi đó, với bộ điều khiển thích nghi, đáp ứng của của hệ thống đối với các sai lệch mô hình cũng như nhiễu tải là khá tốt, quỹ đạo của các khớp bám theo giá trị đặt ngay cả khi tham số mô hình là bất định và chịu tác động của nhiễu từ bên ngoài.

Đề tài đã đưa ra cấu trúc điều khiển thích nghi bền vững, không phụ thuộc mô hình đối tượng cho hệ thống cánh tay máy xúc. Bộ điều khiển có cấu trúc đơn giản, dễ thực hiện nhưng vẫn đảm bảo được đáp ứng tốt trước những bất định của hệ thống. Sự ổn định và phù hợp của bộ điều khiển được chứng minh thông qua lý thuyết ổn định Lyapunov và được kiểm nghiệm thông qua mô phỏng. Các kết quả mô phỏng cho thấy, các khớp của cánh tay máy xúc bám vị trí đặt rất tốt ngay cả khi có sự ảnh hưởng của nhiễu tải hay sự tác động từ sự bất định của mô hình hệ thống. Phần thực nghiệm cho thấy máy xúc chạy tương đối ổn định với bộ điều khiển PD, có thực hiện báo sự cố quá tải thông qua đèn báo sang lên và máy xúc ngừng hoạt động; khi khắc phục xong sự cố quá tải máy xúc lại tiếp tục chu trình xúc tải theo phần mềm đã lập.

Đề tài đã có một số đóng góp mới về mặt nghiên cứu cũng như đáp ứng được mô hình thực hành, thí nghiệm cho trường cao đẳng Công nghiệp Thái Nguyên trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Có thể dùng làm tài liệu hướng dẫn thực hành cho các nghề của trường như: Điện công nghiệp; Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử; Cơ điện tử, Điện tử công nghiệp và dân dụng….

Trong khuôn khổ của đề tài này, nhóm nghiên cứu chỉ đề xuất thuật toán điều khiển thông minh cho hệ cánh tay máy xúc để đảm bảo hệ làm việc bám quỹ đạo trong điều kiện môi trường làm việc có nhiều nhiễu tác động, đó là bộ điều khiển thích nghi; Làm thực nghiệm sử dụng Bộ điều khiển PD, có đưa ra các cảnh bảo quá tải trong quá trình làm việc do đó nhóm nghiên cứu xin đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo để những người quan tâm có thể nghiên cứu tiếp:

- Nghiên cứu cải tiến phần kết cấu cơ khí cho đế máy xúc có thể quay được 360 độ. Nghiên cứu thêm về quá tải.

- Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng với bộ điều khiển thích nghi cho máy xúc tự động trong nội dung đề tài đã đề cập, tiếp tục thực hiện thực nghiệm trên mô hình thực với Bộ điều khiển thích nghi, đánh giá kết quả thực nghiệm

-  Mở rộng việc nghiên cứu có thực nghiệm trên các mô hình thiết bị khác.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 15470/2018) tại Cục Thông tin KH&CN Quốc gia.

P.T.T (NASATI)