1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG 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
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
Hà Nội – 2017
2
Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Nguyễn Quốc Cường
Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS. Bùi Trung Thành
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ
cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
3
MỞ ĐẦU
1. Giới thiệu
Năm 1959, Giáo sư Richard Feynman đã có bài phát biểu nổi tiếng về thao tác và điều khiển ở
kích thước vi mô. Tuy nhiên, các thiết bị này chỉ thực sự phát triển kể từ khi công nghệ vi cơ điện
tử (MEMS) được triển khai từ những năm 90 của thế kỷ trước. Phát triển các vi công cụ thao tác với
các đối tượng nhỏ có kính thước cỡ micro, nano có nhiều ứng dụng tiềm năng như 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 lưu cơ điện tử cho phép thao tác với thể tích chất lưu 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].
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 hướng không thể khác nhằm giải quyết các yêu cầu trong tổng hợp vật liệu,
phân phối vật liệu sinh học như đặt protein lên các đế được 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.
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
lượng hoặc thể tích vật liệu được phân phối phải ở cỡ nano gram hoặc nano lít, với độ chính xác
cao. Xu hướng 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 như khoa học vật liệu, điều khiển tự động, cơ khí chính xác.
Hệ thống phân phối thường bao gồm các hệ thống treo, chuyển động theo ba chiều độc lập
nhau trong không gian với độ phân giải bước 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 trước. 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 thường đi kèm phần mềm điều khiển, ghép nối máy tính hoặc sử
dụng các hệ thống nhúng để tạo điều kiện thuận lợi cho người sử dụng.
Tuy nhiên việc xây dựng đối tượng 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 hưởng trực tiếp đến chất lượng của hệ
thống. Như sai số trong việc chế tạo cơ khí, sai số do ma sát, sai số do tín hiệu đo, các tác nhân do
môi trường...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 hướng nghiên cứu của
luận án. Luận án này được 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), trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Thành công của đề tài sẽ mở ra một hướng nghiên cứu mới nhằm tạo ra một thiết bị phân phân phối
vật liệu có độ chính xác cao, kích thước 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 lượng vật chất (chất lỏng) rất
nhỏ và có thể điều khiển được [57, 58, 74].
3. Mục tiêu của luận án
Luận án đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu nâng cao chất lượng của hệ truyền động qua động cơ có hộp
số bánh răng được nối với trục truyền động bằng khớp nối mềm, tín hiệu phản hồi tại đầu ra. Yêu
cầu chất lượng 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
được 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 động ở chế độ chạy đều và xác lập. Đây là bài toán chưa được
xét đến trong các phương pháp điều khiển trước 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
4
yếu tố bất định dưới 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 như khớp
nối mềm giữa trục động cơ với tải.
- Phân tích các thuật toán điều khiển đã có, dựa trên đặc tính của đối tượng xây dựng phương
pháp điều khiển thích hợp, trên nguyên tắc kết hợp các phương pháp điều khiển đã có: Điều
khiển không gian trạng thái gán điểm cực, điều khiển trượt, 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 hướng 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 tượng, phạm vi và phương 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 phương pháp điều khiển hiện có lại thích hợp với từng đối tượng có đặc thù riêng, nên luận án
đặt ra là chỉ tập trung vào xây dựng mô hình đối tượng 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 phương pháp điều khiển dựa trên cơ sở các phương pháp điều
khiển đã được 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 dưới dạng hàm số và hằng số.
- Kết quả mô phỏng được 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 bước 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 bước (nhỏ hơn 1000 micromet/ 1bước).
- Xây dựng phương 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 tượng điều khiển. Phương 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 phương pháp điều khiển đã được 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 tượng 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 tượng phi tuyến sao cho phù hợp. Thuật toán được đề xuất
mở ra một hướng điều khiển mới cho một lớp đối tượng phi tuyến tương đồng. Giá trị học thuật của
luận án là đề xuất mô hình phi tuyến phù hợp cho đối tượng và xây dựng bộ điều khiển phi tuyến
cho đối tượng đã được xây dựng.
Mô hình hệ thống phân phối vật liệu nano được 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.
5
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 được 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 như khe hở của hộp số, độ biến dạng đàn hồi, các
mô men ma sát.
- Xây dựng phương pháp điều khiển dự báo thích nghi có thành phần tích phân, trong mục
3.4.4, cụ thể trong phương trình (3.42) đã thực hiện bù thành phần Gθb (nhiễu bất định) có
lẫn trong tín hiệu ra trong phương trình (3.30), sau đó đưa ra các bước chi tiết thực hiện
thuật toán lọc Kalman không liên tục. Phương pháp đề xuất còn thực hiện kết hợp đưa thành
phần bất định nhiễu dk = Gθb vào bộ điều khiển dự báo trong công thức (3.31), sau đó xác
định được dãy các giá trị tín hiệu điều khiển tối ưu trong tương 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 phương theo phương trình (3.37) đạt giá trị nhỏ nhất.
2. Về mặt thực tiễn:
- Ứng dụng phương 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 phương 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
phương pháp điều khiển tiên tiến khác.
7. Bố cục luận án
Chương 1. LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
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 bước 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 trước. 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 người sử dụng, đồng thời đáp ứng được một số yêu cầu kỹ
thuật theo bà toán đặt ra.
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
1.2.2. Giới thiệu các phương pháp chế tạo vật liệu nano
1.2.3. Tổng quan các nghiên cứu phần cứng hệ thống phân phối vật liệu nano
1.3. Tổng quan các nghiên cứu điều khiển vị trí
1.3.1. Nhóm phương pháp điều khiển không gian trạng thái gán điểm cực
1.3.2. Nhóm phương pháp điều khiển trượt
1.3.3. Nhóm phương pháp điều khiển tầng PID
1.3.4. Nhóm phương pháp điều khiển kết hợp giữa PID – Mờ nơ ron
1.3.5. Nhóm phương pháp điều khiển tối ưu bền vững thích nghi
1.3.6. Nhóm phương pháp điều khiển dự báo
1.4. Kết luận
Qua giới thiệu và đánh giá ở mục 1.2.3 và 1.3 cho thấy mỗi phương pháp điều khiển đều có
những ưu nhược điểm riêng nên theo quan điểm của tác giả phương pháp "tốt nhất" hiện nay, tức