Nghiên cứu ứng dụng hệ thống lái điện thuỷ lực có điều khiển bằng kỹ thuật số - Luận án tốt nghiệp của Nguyễn Việt Hùng

Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế, phân tích và ứng dụng một hệ thống lái điện thủy lực điều khiển kỹ thuật số với chi phí thấp. Tầm quan trọng của công trình nằm ở việc giải quyết bài toán kinh tế cho ngành hàng hải. Hiện tại, nhiều hệ thống lái tàu thủy hiện đại có giá thành cao. Nghiên cứu này cung cấp giải pháp giảm chi phí mà vẫn duy trì chất lượng. Sự phát triển của các hệ thống điều khiển kỹ thuật số hóa hệ thống lái mang lại nhiều lợi ích. Chúng bao gồm việc nâng cao hiệu suất lái tàu, giảm thiểu sức lao động và tăng độ tin cậy hệ thống lái. Công nghệ này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi, đặc biệt cho các tàu cá, tàu vận tải cỡ nhỏ và các phương tiện thủy nội địa. Việc giảm giá thành giúp công nghệ tiên tiến tiếp cận được nhiều đối tượng hơn.

Các hệ thống lái tàu thủy hiện có rất đa dạng. Chúng có thể được phân loại dựa trên nguyên lý truyền động, phương pháp điều khiển và cấu trúc. Phổ biến gồm hệ thống lái cơ khí, thủy lực và điện thủy lực. Hệ thống lái cơ khí đơn giản nhưng hạn chế về lực lái. Hệ thống lái thủy lực sử dụng áp suất chất lỏng để tạo ra lực lớn, phù hợp cho tàu cỡ lớn. Tuy nhiên, chúng có thể phức tạp trong lắp đặt và bảo trì. Hệ thống lái điện thủy lực là sự kết hợp của điện và thủy lực. Chúng mang lại ưu điểm về công suất và khả năng điều khiển linh hoạt. Nghiên cứu này tập trung vào loại hình điện thủy lực. Việc này giúp tận dụng các ưu điểm về điều khiển chính xác và khả năng tự động hóa cao. Đồng thời, tìm cách giảm chi phí thông qua việc lựa chọn linh kiện và tối ưu hóa thiết kế.

Việc lựa chọn linh kiện là yếu tố then chốt để đạt được mục tiêu giá rẻ. Nghiên cứu tập trung vào các bơm bánh răng, van phân phối tiêu chuẩn và xylanh thủy lực có sẵn trên thị trường. Các thông số kỹ thuật của dầu thủy lực cũng được xem xét để đảm bảo tương thích và kéo dài tuổi thọ hệ thống. Bơm bánh răng được chọn vì giá thành phải chăng, độ bền cao và dễ bảo trì. Các van an toàn, van chống quá tải được tích hợp để bảo vệ hệ thống khỏi các sự cố áp suất. Việc này tăng cường độ tin cậy hệ thống lái. Động cơ điện được lựa chọn dựa trên công suất yêu cầu và khả năng hoạt động ổn định trong môi trường biển. Tất cả các linh kiện đều được đánh giá về hiệu suất và giá thành để đảm bảo sự cân bằng tốt nhất.

Quy trình thiết kế bao gồm các bước từ xác định yêu cầu kỹ thuật đến tính toán chi tiết từng bộ phận. Đầu tiên, kích thước cánh lái được xác định dựa trên loại tàu và tốc độ vận hành. Tiếp theo, mô men lái cần thiết được tính toán để đảm bảo khả năng điều hướng tàu hiệu quả. Dựa trên mô men lái, lực tác dụng lên xylanh thủy lực được xác định. Sau đó, kích thước và hành trình của xylanh được thiết kế. Dung tích bơm và công suất động cơ điện được tính toán để cung cấp đủ lưu lượng và áp suất cho hệ thống. Kích thước thùng dầu cũng được xác định để đảm bảo đủ dung tích và khả năng làm mát. Các tính toán này giúp tối ưu hóa thiết kế hệ thống lái giá rẻ, đảm bảo mọi thành phần hoạt động hài hòa và hiệu quả.

Hệ thống thủy lực được thiết kế theo sơ đồ đơn giản nhưng hiệu quả. Nó bao gồm một cụm nguồn thủy lực, khối van điều khiển và một hoặc hai xylanh thủy lực để truyền động cánh lái. Cụm nguồn chứa bơm, động cơ điện và thùng dầu. Các van phân phối điều khiển dòng chảy của dầu đến xylanh, cho phép cánh lái quay theo các hướng khác nhau. Van an toàn và van hãm tải được tích hợp để bảo vệ hệ thống khỏi áp suất quá cao và sốc thủy lực. Sơ đồ này được tối ưu hóa để giảm số lượng linh kiện, từ đó tối ưu hóa chi phí hệ thống. Bố trí gọn gàng cũng giúp dễ dàng lắp đặt và bảo trì. Hệ thống cũng có thể tích hợp bơm tay để điều khiển khẩn cấp, tăng cường độ an toàn.

Hệ thống sử dụng các phương pháp điều khiển tự động và bán tự động. Điều khiển bằng tay vẫn được duy trì như một tùy chọn dự phòng. Bộ điều khiển nhúng là trung tâm của hệ thống điều khiển kỹ thuật số. Nó có nhiệm vụ thu thập tín hiệu từ tay lái, cảm biến góc lái và các cảm biến khác. Sau đó, nó xử lý các tín hiệu này và đưa ra lệnh điều khiển cho các van phân phối. Bộ điều khiển nhúng thường là một vi điều khiển hoặc vi xử lý có khả năng tính toán nhanh và chính xác. Nó được lập trình để thực hiện thuật toán điều khiển cánh lái hướng, đảm bảo cánh lái di chuyển đến vị trí mong muốn một cách chính xác và ổn định. Phương pháp này tối ưu hóa chi phí hệ thống bằng cách sử dụng các linh kiện điện tử phổ biến.

Thuật toán điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) được ứng dụng rộng rãi. Thuật toán này giúp duy trì cánh lái ở góc độ chính xác theo yêu cầu. Nó phản ứng nhanh với các thay đổi và ổn định hệ thống. Bộ điều khiển nhúng tính toán sai số giữa góc lái mong muốn và góc lái thực tế. Sau đó, nó tạo ra tín hiệu điều khiển tương ứng cho các van. Các thông số của thuật toán PID (Kp, Ki, Kd) được tinh chỉnh để đạt được đặc tính đáp ứng tối ưu. Việc tinh chỉnh giúp giảm thiểu độ vọt lố, thời gian xác lập và sai số xác lập. Điều này đảm bảo hiệu suất lái tàu cao. Các thuật toán này có thể được mô phỏng và kiểm tra trên máy tính. Điều này giúp xác định các thông số tối ưu trước khi triển khai thực tế.

Kỹ thuật số hóa hệ thống lái mang lại nhiều lợi ích vượt trội. Độ chính xác cao là một ưu điểm nổi bật. Hệ thống có thể điều khiển góc lái với độ phân giải nhỏ, tăng cường khả năng điều động của tàu. Khả năng phản ứng nhanh giúp tàu ứng phó hiệu quả với các điều kiện biển động hoặc tình huống khẩn cấp. Việc lập trình dễ dàng cho phép hệ thống thích nghi với nhiều loại tàu và điều kiện vận hành khác nhau. Chức năng tự động hóa giúp giảm bớt gánh nặng cho người lái. Nó cũng giảm thiểu sai sót do yếu tố con người. Ngoài ra, kỹ thuật số còn cho phép tích hợp dễ dàng với các hệ thống định vị (GPS), la bàn điện tử và hệ thống lái tự động (autopilot), nâng cao tổng thể hiệu quả và độ an toàn của tàu. Điều này cải thiện độ tin cậy hệ thống lái.

Nghiên cứu tiến hành phân tích sự ảnh hưởng của nhiều thông số kỹ thuật lên hiệu suất của hệ thống. Các thông số này bao gồm mô men quán tính (J) của cánh lái, chiều dài cần điều khiển (lc), hệ số phản hồi (kph), góc lệch cánh lái (δ) và áp suất thủy lực (p). Các mô hình toán học và phần mềm mô phỏng được sử dụng để đánh giá đặc tính hàm truyền và đáp ứng của hệ thống khi từng thông số thay đổi. Ví dụ, sự thay đổi của J ảnh hưởng đến thời gian đáp ứng của cánh lái. Việc tăng kph có thể cải thiện độ ổn định nhưng cũng có thể dẫn đến dao động. Phân tích này rất quan trọng để tối ưu hóa thiết kế hệ thống và tinh chỉnh thuật toán điều khiển PID. Điều này đảm bảo hiệu suất lái tàu ổn định trong mọi điều kiện.

Chất lượng của hệ thống lái điện thủy lực được đánh giá dựa trên các tiêu chí quan trọng. Chúng bao gồm thời gian xác lập, độ vọt lố, sai số xác lập và độ ổn định biên. Thời gian xác lập cho biết hệ thống mất bao lâu để đạt được góc lái mong muốn. Độ vọt lố chỉ mức độ vượt quá giới hạn mong muốn. Sai số xác lập là sự chênh lệch giữa giá trị đặt và giá trị thực tế sau khi hệ thống ổn định. Độ ổn định biên đảm bảo hệ thống không bị dao động hoặc mất kiểm soát. Các đồ thị mô tả sự ảnh hưởng của các thông số kỹ thuật đến các tiêu chuẩn này được sử dụng để trực quan hóa kết quả. Đánh giá toàn diện giúp xác định liệu thiết kế có đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất và độ tin cậy hệ thống lái hay không, đồng thời gợi ý các điều chỉnh cần thiết.

Hệ thống lái điện thủy lực điều khiển kỹ thuật số với giá thành cạnh tranh có tiềm năng ứng dụng rất lớn. Nó có thể được triển khai trên nhiều loại tàu khác nhau. Chúng bao gồm tàu cá, tàu vận tải hàng hóa cỡ nhỏ, tàu du lịch nội địa và các phương tiện thủy đặc biệt. Với cấu trúc đơn giản, chi phí lắp đặt thấp và dễ bảo trì, hệ thống này trở thành lựa chọn hấp dẫn cho các chủ tàu muốn nâng cấp hoặc xây dựng tàu mới. Khả năng thích ứng của bộ điều khiển nhúng cho phép điều chỉnh hệ thống phù hợp với từng đặc điểm riêng của tàu. Điều này mở rộng phạm vi ứng dụng mà không yêu cầu thiết kế lại toàn bộ. Điều này đóng góp vào sự phát triển bền vững của ngành hàng hải, giúp các đội tàu hiện đại hóa với chi phí hợp lý.

Để tiếp tục nâng cao hiệu suất và khả năng ứng dụng của hệ thống lái này, một số hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất. Đầu tiên, việc tối ưu hóa hơn nữa các thuật toán điều khiển PID hoặc khám phá các thuật toán điều khiển thích nghi, điều khiển mờ có thể cải thiện đáng kể độ chính xác và khả năng chống nhiễu của hệ thống. Thứ hai, tích hợp các cảm biến tiên tiến hơn như cảm biến tốc độ góc, cảm biến dòng chảy để cung cấp dữ liệu đầu vào chính xác hơn cho bộ điều khiển nhúng. Cuối cùng, nghiên cứu về vật liệu và công nghệ sản xuất mới cho linh kiện thủy lực có thể giúp giảm trọng lượng, kích thước và tăng tuổi thọ của hệ thống. Những cải tiến này sẽ tiếp tục củng cố vị thế của hệ thống lái điện thủy lực giá rẻ trên thị trường.