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


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

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

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


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


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

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


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 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 3.32 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


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

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.

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:

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

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

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


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