HOCNGHE

I

AND TECHNOLOGY

TU NHItN . KV THUAT

EE TEEHNOTOtrY

a0 ctno DUC vA DAo rAoDAI HQC THAI NGUYEN

T+p ehi KHOA HQC vn C6NG NGHEJournal of Science and Technology

- tdng bi6n tAp:- Ph6 tdng bi6n tAp Thrrdng tn/c:- Ph6 Tdng bi6n tAp:- Trtt'&ng Ban bi6n tAp:- Thtr ky Tda soan:

GS.TS. ru QUANG HrdNPGS.TS. CHU HOANG MAUPGS.TS. TRAN THI VIOT TRUNG

az(

THS. Ltr TIEN DUNGTHS. DOAN OTJC UAT

TOA SOAN: Dai hoc Thr4i NguyOn, phudng TAn Thinh, thdnh phd Th6i NguyOn'

Tel. 02 8 0. 3 8 402 8 8. Fax. 0280. 3852665 * E-mail: tapchikhcn.dhtn@ gmail'com'

Gia,y ph6p Hoat dQng biio chi s6 1ZI)1GP-BTTTT, ngiry 261812010 cira BQ truong BQ Thong tin - Truyd-n^th0ng'

rn ioir .udn, iap zzior)nqdm 20rr taiNhh in eao ihat Nguyen. In xong vh nop luu chidu thi4ng 0V20ll.Bin dien tir tham khio iai rrang Web cira Trung ram Hoc 1i0u Dai hoc Th6i Nguyon: http://www'lrc-tnu-edu.vn

THE LE GTII BAITap chi Khoa hgc vd C6ng nghQ Dai hoc Th6i Nguy6n thucrng xuyOn nhAn ddng

nhirng Ual Uao cua cdn bQ gidng d4y. can.bQ.nghien 9YY ud.6: illkhoa hQc'..trong vir

ngouiDui hoo Th6i Nguy6n nhdm cdng bd k€t qua nghidn ctlu, bhi t6ng quan hodc nhirng

thbng tin trao C6i ttruqc mgi linh vuc khoa hoc c6ng nghQ. Sau ddy ld the 1€ gui bdi cho Toa

soan:1. T4p chi chi nhAn ddng nhirng bai b6o khoa hoc chua c6ng bd tr6n c6c b5o. t4p chi

khoa hgc trong nr.rcrc vd qudc t6.

2. Bai b6o khoa h'c co thti v_i€t bing titing ViQt ho4c ti6ng Anh. . .. i .,3. Khi n6p cho roa so4n. m5i Uai b6o can duoc in thdnh hai b6n tr€n giAy A+. kem theo

dia CD.4. CAu trirc bai b6o.

4.1. TOn bai b6o.

4.2. Ho tOn tac gid hoqc nhom ttrc gia, co quan cdng t6c.

4.3. M5i bdi bA; khdng ddi qu6 5 trang (khoang 3.000 tu). Trong bdi b6o, o nhirng nQi

dung tac gi6 da lham khdo hoAc su dpng_k*i*, n.elri€n .P lit,::. tdi liCu khoa hoc kh6c, cAn

danh dAl tang sd (dat trong m6c r.u6ng tl) - ld sd thu tg cua tdi liQu x€p trong danh mgc tdi liOu

tham khao4.4. Torn tirt n6i dung bdi b6o: tOi tneu i50 tir bang ti6ng Vi€t va duoc dich sang tiOng

Anh (k€ ca ri€u AC Uai b6o;,,dtroi muc tom t6t ti6ng Vi€t co "Tir khoa"; duoi tom tdt ti6ng

Anh co "'Key words" (t6i thi6u 05 tu hodc cum tu).4.5. TAi li6u tham kh6o:- TLTK sip x€p theo vAn A,B,C, tdi liQu titlng nu6c ngodi kh6ng phiOn 6m, kh6ng

dich.- DOi vcyi tdc gia la ngudi Viqt Nam x6p theo thir tg A, B, C theo ftn (kh6ng dAo t6n

len trtroc ho).- Ddi voi tac gia la ngtrdi nu6c ngodi x6p theo lhu tg A, B, C theo hp. ,,- D6i vcri nhirng tai liOu khdng co t6n tac giit xOp thu tU A, B, C cua tir dau ti6n lOn c<v

quan ban hanh tdi liQu (vi duiB0 Gi6o dgc vd Ddo t4o x6p vAn B)'TLTK la s6ch. lufln 6:n cAn ghi ddy du cdc thong tin theo thu tu: t€n t6c gia hodc co quan ban

lrdnh. Nam xuAt ban). ftn sdch,Nhd xudt bdn. noi xudt ban.

TLTK ld bdi bao hoflc bai trong mQt cudn s6ch... cAn ghi dAy du c6c th6ng.tin.theo thfr

tu: T6n tac gia. (NAm cdng b6), "TOn biri b6o", TAn Mp chi hoQc sdch, Tdp, (56), c6c s6

trang (gach ngang giira2 chir s6).

5.Hinh thfrc trinh bay:- Ngoai.phAl tieu d6, t6c gia va tom tit bdi b6.o (dAu tr4ngl) vd Summary (cu6i bdi).

bdi b6o yeu .A,, phai trinh bdy tr6n kh6 ,A4 theo chidu doc. dugc chia 02 c6t v6i c6c th6ng

s6 Pagesetup cu th6 nhu sau:Top:3.1cm, Bottom: 3.1cm, Left: 3.0cm. Right: 2.8cm,

Header: 2.85cm, Footer: 2.85cm, With:7.25cm, Spacing:0.8cm. TOn bai b6o cO 12' chir in

d6m: 10i dung bai b6o cd I 1; Font chir Unicode; hinh v6, dd thi trinh bdy phu hqp voi dQ

ron-s cdt (7 .25 cn-r); c6c bdng bi€u qu6 l6n trinh bay tlreo trang ngang (Landscape)'

- D6i vcyi c6c bai b6o i.O frle" bdng cdc phAn mdm chuy6n dpng nhu Latex, ACD/Chem

Sketch hodc Science Helper for Word cfrng trinh bdy theo khudn dang n6u trOn.

6. Ndu bdi b6o kh6ng ducyc su dung. Ban biOn tap kh6ng tra l4i bAn th6o.

7. Titc gia hoac tac giachfnh trong nhom t6c giA cAn gni Aia chi, s6 di6n tho4i vdo cu6i

A^

BAN BIEN TAP

oµ soT T¹p chÝ Khoa häc vµ C«ng nghÖ

CHUYÊN SAN KHOA H ỌC TỰ NHIÊN – KỸ THUẬT

Môc lôc Trang

Vũ Văn Thắng, Đặng Quốc Thống, Bạch Quốc Khánh, Nguyễn Bá Việt - Tiềm năng và ứng dụng của nguồn điện phân tán trong qui hoạch hệ thống phân phối điện 3

Ngô Phương Thanh, Vũ Quốc Đông - Nghiên cứu giải bài toán điều khiển tối ưu sử dụng phương pháp tựa theo dãy và giải thuật tính vi phân tự động AD cho hệ thống động học phi tuyến có ràng buộc 9

Đoàn Thanh Hải, Đoàn Thị Thanh Thảo - Xây dựng mô hình hệ thống truyền dẫn để tính toán giải tích chất lượng BER của hệ thống vô tuyến số M-QAM 15

Nguyễn Mai Hương, Nguyễn Tiến Hưng - Sử dụng LFT trong thiết kế và phân tích ổn định bền vững của hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió 21

Đoàn Thị Thanh Thảo, Đoàn Thanh Hải, Đỗ Huy Khôi - Khả năng sử dụng độ thiệt hại khoảng cách DD để đánh giá tác động của méo phi tuyến gây bởi bộ khuếch đại công suất phát trong các hệ thống 256-QAM 27

Nguyễn Thị Thu Hiền - Điều chỉnh dòng điện và tốc độ trong hệ truyền động THIRISTOR - động cơ 33

Nguyễn Thanh Bình - Khảo sát các ảnh hưởng do nhiễu tác động của hai hệ lực hướng tâm vuông góc trong ổ đỡ từ 39

Đỗ Thị Vụ, Phạm Đình Tiệp, Ngô Mạnh Tiến - Nghiên cứu và ứng dụng điều khiển số vào việc cải tạo nâng cấp máy phay vạn năng 6P13Б 43

Phạm Thị Thương, Ngô Thị Lan, Nguyễn Lan Oanh - Cải tiến FOCL trong việc học các khái niệm đệ quy 49

Phùng Thị Thu Hiền, Phùng Trung Nghĩa, Đoàn Xuân Ngọc - Xử lý dữ liệu thiếu trong khai phá dữ liệu 55

Tạ Thị Ki ều Oanh - Thiết kế, chế tạo bộ đếm sản phẩm sử dụng vi điều khiển 8051 61

Tạ Minh Thanh, Nguyễn Hiếu Minh, Đỗ Thị Bắc - Đề xuất xây dựng hệ thống chia sẻ tài nguyên dựa trên hệ lưu trữ phân tán và kiểm soát truy cập 67

Trương Thành Nam, Lâm Thu Hà, Hà Anh Tuấn - Ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) xây dựng bản đồ đơn vị đất đai huyện Định Hóa, tỉnh Thái Nguyên 75

Nguyễn Thị Vân Anh - Một kết quả số của phưong pháp hiệu chỉnh bất đẳng thức biến phân hỗn hợp 81

Nguyễn Tuấn Anh - Tốc độ hội tụ của nghiệm hiệu chỉnh của bất đẳng thức biến phân với toán tử nhiễu không đơn điệu 85

Phạm Thị Thủy, Trần Huệ Minh - Nghiệm không tầm thường của một lớp bài toán biên cho phương trình Elliptic suy biến 89

Đỗ Trà Hương, Phạm Thị Hà - Chế tạo và nghiên cứu khả năng hấp phụ Ion Fe3+ của vật liệu nano oxit mangan bọc cát 95

Dương Thị Tú Anh, Cao Văn Hoàng, Lê Thu May - Nghiên cứu xác định dạng tồn tại của Cr trong một số nguồn nước khu vực Thái Nguyên 101

Lê Hữu Thiềng, Hứa Thị Thùy - Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cu2+, Ni2+ của than bã mía 107

Dương Thị Tú Anh, Chu Mạnh Nhương, Hứa Thị Tuyến - Nghiên cứu điều kiện chiết Zr(IV) trong môi trường axit HCl bằng DI-2-EtylHexyl Photphoric axit trong n- Hexan 115

Đinh Thúy Vân, Nguyễn Thị Mai, Phạm Văn Thỉnh - Một số kết quả nghiên cứu ban đầu về thành phần hóa học trong lá cây Sổ (Dillenia Indica l.) 121

Lê Ngọc Anh, Mai Xuân Trường - Xác định đồng thời Acetaminophen, Loratadin và Extromethorphan Hydrobromid trong thuốc viên nén Hapacol-CF bằng phương pháp trắc quang 127

Journal of Science and Technology

86 (10)

N¨m 2011

Dương Thị Tú Anh, Cao Văn Hoàng, Trần Thị Khánh Hòa - Xác định đồng thời hàm lượng vết CdII, PbII VÀ CuII trong trầm tích lưu vực sông Cầu - thành phố Thái Nguyên

133

Lê Hữu Thiềng, Nguyễn Trọng Uyển, Nguyễn Thị Lan Anh - Nghiên cứu sự tạo phức của Samari với

L-Glyxin 139

Nguyễn Thị Hiền Lan, Tr ịnh Thị Thủy - Tổng hợp và nghiên cứu tính chất phức chất Isobutyrat của một số kim loại chuyển tiếp

143

Đỗ Thị Lan, Đoàn Trường Sơn, Nguyễn Thị Thủy - Nghiên cứu khả năng thấm nước của đất rừng tại xã Bộc Nhiêu, huyện Định Hóa – tỉnh Thái Nguyên

149

Đỗ Thị Tuyến, Lương Thị Hương Giang, Đào Thị Hằng, Nguyễn Thị Hương Liên, Vi Thị Đoan Chính -

Hoạt tính kháng sinh của xạ khuẩn trong đất tại các khu vực có hoạt động khai thác khoáng sản 153

Bùi Thị Hà - Phân loại một số chủng xạ khuẩn có khả năng đối kháng vi sinh vật gây nhiễm trùng bệnh viện 159

Phạm Hương Quỳnh, Phạm Thị Thu - Thiết kế mô hình xử lý nước thải bằng hệ thống Aeroten Designing An Aeroten Wastewater Treatment System

167

Nguyễn Thị Thanh Thảo - Nghiên cứu xác định hệ số phát thải một số chất ô nhiễm không khí của nhà máy nhiệt điện đốt than Quảng Ninh

175

Nghiêm Ngọc Minh, Hầu Thị Thu Trang, Nguyễn Thị Hoài Thu - Biểu hiện và tinh sạch protein nội độc tố Staphylococcal enterotoxin (Seb) trong các chủng Staphylococcus aureus phân lập từ các vụ ngộ độc thực phẩm

179

Nguyễn Thị Thuý Hiên - Nghiên cứu thực trạng công tác thiết kế xây dựng ở Việt Nam và đề xuất giải pháp ứng dụng công nghệ thi công hiện đại trong công tác thiết kế xây dựng

185

Phan Thị Thu Hằng, Nguyễn Thị Minh Hu ệ - Sử dụng Bèo tây (Echihornia crassipes) làm sạch nước bị ô nhiễm Pb, Cd, As tại Thái Nguyên

191

Lê Thị Huyền Linh, Nguyễn Thị Mai Hương - Một phương pháp xây dựng điều khiển dự báo dựa trên mô hình GAUSS

195

Nguyễn Minh Cường - Một số giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả chương trình quản lý nhu cầu điện năng 201

Đặng Thị Loan Phượng - Nâng cao khả năng làm việc ổn định của máy phát điện sức gió với lưới trong trường hợp lưới đối xứng bằng phương pháp Backstepping

207

Lại Khắc Lãi, Đặng Ngọc Trung - Ứng dụng giải thuật di truyền cho bài toán điều khiển tối ưu đa mục tiêu 213

Lại Khắc Lãi, Dương Quốc Hưng, Trần Thị Thanh Hải - Thiết kế bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG

219

Bạch Phương Vinh - Ứng dụng bản đồ tư duy trong dạy học giải toán hình học 9 góp phần rèn luyện cho học sinh một số hoạt động trí tuệ

227

Phạm Thị Tuyết Mai , Phạm Thế Hùng - Variational relation problems and related problems in topological semilattices 233

oµ soT T¹p chÝ Khoa häc vµ C«ng nghÖ

NATURALSCIENCE – TECHNOLOGY

Content Page Vu Van Thang, Dang Quoc Thong, Bach Quoc Khanh, Nguyen Ba Viet - The potential and application of

distributed generations in planning distribution systems 3

Ngo Phuong Thanh, Vu Quoc Dong - Dynamic optimization using quasi-sequential approach and automatic differentiation algorithm for constrained nonlinear dynamical systems 9

Doan Thanh Hai, Doan Thi Thanh Thao - Building a model of M-QAM transmission system to calculate

analytical of ber in M-QAM radio systems 15

Nguyen Mai Huong, Nguyen Tien Hung - Using linear fractional transformation for design and robustness analysis of a wind generator control system 21

Doan Thi Thanh Thao, Doan Thanh Hai, Do Huy Khoi - The ability to use the DD -distance degradation to evaluate the effects of distortion caused by nonlinear amplifier output power of 256 - QAM systems 27

Nguyen Thi Thu Hien - Adjusting electricity and speed in THIRISTOR -motor power transmission system 33

Nguyen Thi Thanh Binh - Studying the effects of disturbances to the two centrifugal force systems in the

magnetic bearing 39

Do Thi Vu, Pham Dinh Tiep, Ngo Manh Tien - Research and apply digital control in upgrading and

improvement of 6P13Б universal milling machine 43

Pham Thi Thuong, Ngo Thi Lan, Nguyen Lan Oanh - Improving the FOCL in learning recursive theories 49

Phung Thi Thu Hien, Phung Trung Nghia, Doan Xuan Ngoc – Treatment of missing data in data mining 55

Ta Thi Kieu Oanh – Design and construction of the product counter using microcontroller 8051 61

Ta Minh Thanh, Nguyen Hieu Minh, Do Thi Bac - An approach of peer-to-peer system based on

distributed data storages and control access 67

Truong Thanh Nam, Lam Thu Ha, Ha Anh Tuan - Applying geographical information systems (GIS) in

creating the land unit map of Dinh Hoa district, Thai Nguyen province 75

Nguyen Thi Van Anh - Numerical results in regularization method for mixed variational inequality 81

Nguyen Tuan Anh - Convergence rate of regularized solutions of variational inequality with non-monotone

perturbations 85

Pham Thi Thuy, Tran Hue Minh – Abnormal roots of a mass of maths of degenerate Elliptic equations 89

Do Tra Huonng, Pham Thi Ha - Fabrication and study on the possibility of Ion Fe3+ adsortion of manganese

oxide nanomaterials coated with sand 95

Duong Thi Tu Anh, Cao Van Hoang, Le Thu May - Research on speciation of some chemical varieties of

chromium in natural water in Thai Nguyen by catalytic adsorptive stripping voltammetry (CAdSV) 101

Le Huu Thieng, Hua Thi Thuy - Investigation of the adsorption of Cu2+, Ni2+ of sugarcane bagasse carbon 107

Duong Thi Tu Anh, Chu Manh Nhuong, Hua Thi Tuyen - Researching conditions for solven extraction of

Zr(IV) from Chloride Media by D2EHPA in n- Hexan 115

Dinh Thuy Vân, Nguyen Thị Mai, Pham Van Thinh - Primary study on the chemical composition from Dillenia Indica l. bark 121

Journal of Science and Technology

86 (10)

N¨m 2011

Le Ngoc Anh, Mai Xuan Truong - Simultaneous determination of Acetaminophen, Loratadin and

Dextromethorphan Hydrobromid in Hapacol - CF by pectrophotometry 127

Duong Thi Tu Anh, Cao Van Hoang, Tran Thi Khanh Hoa - Simultaneous determination of trace amounts

of CdII, PbII, CuII in sidement samples of the Cau river valley of Thainguyen city 133

Le Huu Thieng, Nguyen Trong Uyen, Nguyen Thi Lan Anh - Study on the complex of fomation between

samarium and L-Glycine 139

Nguyen Thi Hien Lan, Trinh Thi Thuy - Preparation and study on characterization of the Isobutyrate

complexes of some transitional metals 143

Do Thi Lan, Doan Truong Son, Nguyen Thi Thuy - Study of water permeability of forest land in Boc

Nhieu – Dinhhoa district – Thainguyen province 149

Do Thi Tuyen, Luong Thi Huong Giang, Dao Thi Hang, Nguyen Thi Huong Lien, Vi Thi Doan Chinh - Antibiotic activity of some actinomycetes isolated from soil with mining operations 153

Bui Thi Ha - Classifying some actinomycete strains which are resistant microorganisms causing infections at hospital 159

Pham Huong Quynh, Pham Thi Thu - Designing an Aeroten wastewater treatment system 167

Nguyen Thi Thanh Thao - Determination of emisson factors of selected air pollutants for Quangninh’s coal

fired power plant 175

Nghiem Ngoc Minh, Hau Thi Thu Trang, Nguyen Hoai Thu - Optimization of protein expression possibility and purification of enterotoxin Staphylococcal enterotoxin b (Seb) in staphyloccocus aureus strains isolated from food poisoning

179

Nguyen Thi Thuy Hien - The present state of construction design in vietnam and the solution proposal for

application of modern construction technology to construction design 185

Phan Thi Thu Hang, Nguyen Thi Minh Hue - Using water hyacinth species (Echihornia crassipes) for

cleaning polluted water with Pb, Cd, As in Thainguyen 191

Le Thi Huyen Linh, Nguyen Thi Mai Huong - Gaussian process model based predictive control 195

Nguyen Minh Cuong - Solutions to improve efficiency program needs power management 201

Dang Thi Loan Phuong - Improving stability of the wind generators when work in the symmetric grid by

method backstepping 207

Lai Khac Lai, Dang Ngoc Trung - Application genetic algotithm to solve multi-objective optimization

problems 213

Lai Khac Lai, Duong Quoc Hung, Tran Thi Thanh Hai - Design controller to connect to the electrical grid

for wind generator use doubly fed induction generator (DFIG) 219

Bach Phuong Vinh - Applying mind maps in teaching geometry grade 9 to train students’ intellectual activities 227

Pham Thi Tuyet Mai , Pham The Hung - Variational relation problems and related problems in topological semilattices 233

Vũ Văn Thắng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 3 - 7

3

TIỀM NĂNG VÀ ỨNG DỤNG CỦA NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN TRONG QUI HOẠCH HỆ THỐNG PHÂN PHỐI ĐIỆN

Vũ Văn Thắng1*, Đặng Quốc Thống2, Bạch Quốc Khánh2, Nguyễn Bá Việt3

1Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp – ĐHTN, 2Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, 3Trường CĐ Công nghệ và Kinh tế công nghiệp

TÓM TẮT Nguồn phân tán có vai trò ngày càng quan trọng trong qui hoạch hệ thống phân phối điện (HTPPĐ) nói riêng và hệ thống điện nói chung. Nguồn phân tán (Distribution Generation - DG) kết nối đến HTPPĐ hoặc trực tiếp cung cấp điện cho phụ tải nên giảm được tổn thất công suất và tổn thất điện năng, giảm độ lệch điện áp nút, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, giảm ô nhiễm môi trường và chi phí xây dựng nâng cấp các đường dây, trạm biến áp. Bài báo giới thiệu tiềm năng và khả năng ứng dụng DG trên phạm vi toàn cầu cũng như trên lãnh thổ Việt Nam như thủy điện nhỏ, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, pin nhiên liệu, địa nhiệt, nguồn điện nhiệt kết hợp… Từ đó, đề xuất mô hình qui hoạch HTPPĐ với mục tiêu là cực tiểu tổng chi phí xây dựng DG, chi phí xây dựng nâng cấp trạm biến áp và đường dây, chi phí vận hành và mua năng lượng từ hệ thống điện. Mô hình đề xuất được tính toán kiểm tra trên sơ đồ HTPPĐ hình tia 48 nút, lộ 478 TBA 110kV Đán, thành phố Thái Nguyên sử dụng ngôn ngữ lập trình GAMS. Từ khóa: Nguồn phân tán, qui hoạch hệ thống phân phối điện.

∗GIỚI THIỆU

Hệ thống phân phối điện làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ hệ thống điện (HTĐ) qua các trạm biến áp (TBA) trung gian đến khách hàng sử dụng điện, đảm bảo yêu cầu về chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện [1, 2]. HTPPĐ giữ vai trò quan trọng trong HTĐ với những đặc điểm riêng biệt như: Điện áp nhỏ hơn 35kV; Cấu trúc thường là hình tia hoặc hình lưới nhưng vận hành hở; Tổn thất công suất, tổn thất điện năng và độ lệch điện áp tại các nút phụ tải lớn; Có ảnh hưởng lớn về độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng điện năng và chi phí xây dựng của toàn HTĐ… Do đó, qui hoạch HTPPĐ có ý nghĩa quyết định đến chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của HTPPĐ nói riêng và toàn HTĐ.

Trong những năm gần đây, nhu cầu năng lượng nói chung và nhu cầu điện năng nói riêng đang tăng mạnh mẽ, tại Vi ệt Nam tốc độ tăng trưởng điện năng khoảng 16% trong giai đoạn 2005-2010, các nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt, ô nhiễm môi trường do sản xuất năng lượng ngày càng tăng cùng với quá trình tái cơ cấu thị trường điện theo xu thế cạnh tranh đã tạo điều kiện thuận lợi để phát triển các nguồn năng lượng mới và năng lượng tái tạo, nguồn phân tán. ∗ Tel: 0915 176569, Email: thangvvhtd@tnut.edu.vn

DG có công suất nhỏ, kết nối trong HTPPĐ cung cấp trực tiếp cho các phụ tải [3] nên có tác động rất tích cực đến chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của HTPPĐ như: Giảm tổn thất điện năng, hỗ trợ điện áp nút, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, giảm chi phí đầu tư nâng cấp đường dây cung cấp và TBA nguồn. Vì vậy, nghiên cứu ứng dụng DG trong qui hoạch HTPPĐ cần được đặc biệt quan tâm.

Qui hoạch HTPPĐ có nhiều mô hình đã được phát triển và sử dụng, hàm mục tiêu có thể đơn hoặc đa mục tiêu. Phổ biến nhất là mô hình sử dụng hàm mục tiêu chi phí tính toán hàng năm nhỏ nhất với tổng chi phí vốn đầu tư xây dựng, chi phí vận hành và tổn thất điện năng… qui đổi về chi phí trong từng năm vận hành [4]. [3] giới thiệu hàm mục tiêu là tổn thất công suất tác dụng nhỏ nhất dưới tác động của DG. Qui hoạch HTPPĐ đa mục tiêu đã được [5] giới thiệu với hàm mục tiêu là cực tiểu tổng chi phí tổn thất điện năng và ngắt tải hoặc hàm mục tiêu gồm cực tiểu chi phí xây dựng nguồn, chi phí tổn thất điện năng và độ lệch điện áp nút khi DG tham gia trong HTPPĐ được giới thiệu trong [5, 6]. Trong các mô hình trên đã xét đến ứng dụng khá thành công của các DG, do đó cần được nghiên cứu ứng dụng tại Vi ệt Nam.

Bài báo giới thiệu các công nghệ DG, tiềm năng và khả năng ứng dụng trên thế giới cũng

Vũ Văn Thắng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 3 - 7

4

như tại Vi ệt Nam, giới thiệu HTPPĐ và các mô hình qui hoạch HTPPĐ truyền thống cũng như khi xuất hiện DG. Từ đó, đề xuất mô hình qui hoạch mới khi sử dụng DG trong hệ thống phân phối điện.

NGUỒN PHÂN TÁN

Khái niệm

Nguồn phân tán là nguồn điện được kết nối trực tiếp với HTPPĐ hoặc cung cấp trực tiếp cho khách hàng [6, 8], thường sử dụng công nghệ phát điện mới như tuabin khí nhỏ, nhà máy điện và nhiệt kết hợp, năng lượng mặt trời, địa nhiệt và năng lượng gió… Công suất DG có thể đến 300MW phụ thuộc vào công nghệ sử dụng, thường sử dụng DG có công suất nhỏ hơn 5MW. DG là nguồn phát được lắp đặt gần nơi tiêu thụ nên loại trừ được những chi phí truyền tải và phân phối, tăng cường tính linh hoạt HTPPĐ và độ tin cậy cung cấp điện, giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng, cải thiện độ lệch điện áp nút và giảm ô nhiễm môi trường [8]. Tuy nhiên, DG thường có vốn đầu tư lớn và làm tăng tính phức tạp trong đo lường, bảo vệ và vận hành HTPPĐ.

DG được phát triển với nhiều công nghệ khác nhau, được chia làm hai nhóm chính: i) DG có khả năng tái tạo như: tuabin gió, nhà máy điện địa nhiệt, nhà máy điện mặt trời và nhà máy Pin mặt trời, thủy điện nhỏ, nhà máy điện thủy triều… ii) DG không tái tạo, sử dụng chủ yếu năng lượng hóa thạch như: tuabin khí nhỏ, nhà máy điện nhiệt kết hợp (Combined Heat and Power - CHP), Pin nhiên liệu (Fuel Cells), động cơ thuận nghịch (Reciprocating Engines), động cơ Stirling (Stirling Engines)…

Công nghệ Nguồn phân tán

* Thủy điện nhỏ: Thủy điện nhỏ sử dụng năng lượng của những dòng chảy nhỏ làm quay tuabin nước, máy phát để phát điện. Thủy điện nhỏ không tạo khí thải gây ô nhiễm môi trường, không sử dụng hồ chứa nên không gây ngập lụt, không làm thay đổi hệ sinh thái đã rất được quan tâm phát triển. Việt Nam có địa hình đồi núi phức tạp, khí hậu nhiệt đới mưa nhiều rất thuận lợi để phát triển thủy điện nhỏ. Do đó, tiềm năng thủy điện nhỏ rất

lớn, khoảng 2000MW [13] tập trung chủ yếu ở khu vực Trung du, Miền núi phía Bắc và Tây Nguyên nên rất thuận lợi trong công cuộc điện khí hóa nông thôn.

* Nhà máy điện gió: Nhà máy điện gió biến đổi động năng của dòng không khí thành điện năng qua tuabin gió và máy phát với những đặc điểm nổi bật như: Không tiêu tốn nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường; Có thể đặt gần nơi tiêu thụ nên tránh được chi phí xây dựng đường dây và TBA; Chi phí vận hành, bảo quản khá thấp nên giảm giá thành sản xuất điện năng… Tuy nhiên, gió là dạng năng lượng mang tính bất định cao nên cần có các số liệu thống kê đầy đủ, tin cậy đồng thời xây dựng nhà máy điện gió đòi hỏi vốn đầu tư lớn.

Tiềm năng của năng lượng gió là khá lớn, khoảng 300TWh/năm [4] nhưng do phân tán và không ổn định nên chỉ sử dụng được một phần nhỏ. Năm 2008 toàn thế giới mới xây dựng được các nhà máy điện gió với tổng công suất 121.188GW [10] nhưng trong những năm gần đây tốc độ phát triển của nguồn năng lượng gió rất nhanh khoảng 29%, dự báo đến năm 2020 tổng công suất của các nhà máy điện gió trên toàn thế giới đạt khoảng 1500GW. Trong chương trình đánh giá về năng lượng cho châu Á, Ngân hàng thế giới đã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực Đông Nam Á, trong đó có Việt Nam. Theo tính toán của nghiên cứu này thì Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất Đông Nam Á với tổng tiềm năng điện gió ước đạt khoảng 513.360MW [13], địa hình dọc theo bờ biển gần 3000km rất thuận lợi cho xây dựng các nhà máy điện gió.

* Nhà máy điện mặt trời và Pin mặt trời: Năng lượng của tia bức xạ Mặt trời được chuyển đổi thành điện năng theo hai phương thức: Nhà máy điện mặt trời dùng bức xạ mặt trời đốt nóng lò hơi của nhà máy điện, tương tự nhà máy nhiệt điện, lò hơi tạo hơi nước quay tuabin, máy phát sinh ra điện năng và Pin mặt trời biến đổi trực tiếp năng lượng của bức xạ mặt trời thành điện năng không qua bước trung gian về nhiệt.

Năng lượng mặt trời không làm ô nhiễm không khí, không tạo ra hiệu ứng nhà kính.

Vũ Văn Thắng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 3 - 7

5

Hệ nguồn pin mặt trời có thể xây dựng ngay trên nóc các chung cư hay các tòa nhà lớn nên tiện lợi. Chi phí xây dựng cao là rào cản lớn, khoảng (5-7).106USD/MW, tuy nhiên với chi phí vận hành rất nhỏ nên hiệu quả của nguồn điện mặt trời cũng khá cạnh tranh. Vì vậy, cần có những chính sách hỗ trợ phát triển nguồn năng lượng này trong tương lai.

Năng lượng mặt trời có tiềm năng rất lớn, mỗi giây trái đất có thể nhận được năng lượng tương đương 107kg than đá, tuy nhiên để chuyển thành năng lượng hữu ích còn gặp nhiều khó khăn. Năng lượng mặt trời trên Thế giới đã được ứng dụng và phát triển khá mạnh với qui mô công nghiệp, năm 2007 các nước thuộc Uỷ ban Năng lượng Quốc tế (IEA) đã phát triển 2.26GW, trong những năm tới sẽ phát triển ước tính đạt 7.8GW [11]. Theo Ủy ban Năng lượng Mặt trời Châu Âu (EPIA), công suất đặt năng lượng mặt trời năm 2020 khoảng 200GW và đến năm 2030 công suất đạt 800GW [11]. Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời và số ngày nắng trong năm cao nên tiềm năng nguồn năng lượng mặt trời rất lớn. Tuy nhiên, chi phí đầu tư xây dựng lớn nên năng lượng mặt trời chưa được đầu tư phát triển trên qui mô công nghiệp, với tốc độ phát triển nhu cầu năng lượng rất cao hiện nay cần tận dụng mọi nguồn năng lượng để đáp ứng nhu cầu sử dụng. Vì vậy, cần có những chính sách hỗ trợ phát triển các nguồn năng lượng tái tạo nói chung và nguồn nguồn năng lượng mặt trời nói riêng trong tương lai.

* Nhà máy điện địa nhiệt: Nhà máy điện địa nhiệt sử dụng nhiệt năng từ lòng đất tạo hơi nước có nhiệt độ cao chạy tuabin hơi, máy phát để sản xuất điện năng. Nguồn năng lượng địa nhiệt có trữ năng rất lớn khoảng 880GTOE [4] trải rộng trên toàn Thế giới. Hiện nay, nhà máy địa nhiệt đã được xây dựng và phát triển tại nhiều nơi trên Thế giới như Italia, Mỹ, Nga, Trung Quốc… với công suất đạt 7.100MW. Tuy nhiên, tiềm năng địa nhiệt ở Việt Nam khá nhỏ, nhiệt độ thấp dẫn đến hiệu quả kém nên không cạnh tranh được với các nguồn năng lượng khác.

* Nhà máy điện - nhiệt kết hợp (CHP): Nhà máy CHP được biết đến như những nhà máy nhiệt điện có công suất nhỏ, phát điện và sử dụng nhiệt thải ra trong quá trình phát điện cho một số ứng dụng như sưởi ấm các tòa nhà, sinh hơi hay cung cấp nước nóng cho các qui trình công nghiệp, sưởi ấm đô thị [9]… Nhà máy CHP có quy mô thay đổi phù hợp với nhu cầu của phụ tải được phát triển rất mạnh trên phạm vi toàn cầu, đặc biệt tại Châu Âu, Mỹ và Nhật Bản. Năm 1998 Châu Âu đã xây dựng 144.6GW, Nhật Bản là 3.4GW năm 2010 và Mỹ đã xây dựng 92GW [9]. Tại Vi ệt Nam, điều kiện khí hậu nóng ẩm nên nhu cầu năng lượng nhiệt trong sinh hoạt không cao nhưng các nhà máy, khu công nghiệp đang phát triển rất nhanh tạo điều kiện rất thuận lợi cho phát triển CHP đặt phân tán trong các khu công nghiệp góp phần khắc phục tình trạng thiếu điện trầm trọng hiện nay.

* Pin nhiên liệu: Pin nhiên liệu (Fuel Cells) sử dụng tương tác giữa Hydro và Oxy để chuyển hóa năng lượng hóa thạch thành điện năng. Pin nhiên liệu có hiệu suất rất cao và không ô nhiễm môi trường, có thể xây dựng phân tán gần nơi tiêu thụ với hiệu quả cao nhưng giá thành xây dựng lớn (4.106USD/MW) nên còn hạn chế trong ứng dụng.

Khả năng ứng dụng DG tại Việt Nam

Trong xu thế tăng nhanh nhu cầu năng lượng trên toàn Thế giới cũng như tại Việt Nam, các nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt và sức ép về ô nhiễm môi trường thúc đẩy phát triển các nguồn năng lượng sạch thay thế. Nguồn năng lượng mới và năng lượng tái tạo có đặc điểm chung là giá thành xây dựng cao, năng lượng sản xuất mang tính bất định lớn nhưng hiệu quả sử dụng cao (nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, giảm chi phí vận hành và ô nhiễm môi trường) nên một số DG có tiềm năng và khả năng ứng dụng cao: i) Thủy điện nhỏ có khả năng ứng dụng rất cao trong HTPPĐ điện nông thôn khu vực trung du, miền núi phía Bắc và Tây Nguyên. ii) Nhà máy điện gió có tiềm năng lớn trong khu vực nông thôn, miền duyên hải và hải đảo. iii) Nhà máy điện sử dụng năng lượng mặt trời có ưu thế lớn khi sử dụng những modul công suất nhỏ trong khu vực đô thị và khu vực nông thôn xa lưới điện. iv) CHP có hiệu quả rất cao khi sử

Vũ Văn Thắng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 3 - 7

6

dụng cho những khu vực có nhu cầu lớn về nhiệt do đó có khả năng ứng dụng cao trong các khu công nghiệp…

QUI HOẠCH HTPPĐ KHI CÓ DG

HTPPĐ với cấp điện áp nhỏ hơn 35kV thường có cấu trúc đơn giản gồm một nguồn cung cấp như hình tia hoặc hình lưới vận hành hở để đơn giản trong vận hành và bảo vệ rơle [2]. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, yêu cầu về chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện ngày càng cao, trong một số HTPPĐ phát triển cấu trúc hình lưới nhiều nguồn cung cấp để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Đặc biệt khi xuất hiện thị trường điện cạnh tranh, sức ép về ô nhiễm môi trường toàn cầu [9] và khoa học công nghệ phát triển đã thúc đẩy phát triển các DG tham gia vào HTPPĐ, dẫn đến tính toán và qui hoạch HTPPĐ đã có những thay đổi đáng kể.

Qui hoạch HTPPĐ khi xét đến phương án sử dụng DG có hàm mục tiêu đề xuất là tổng chi phí đầu tư xây dựng DG, chi phí nâng cấp cải tạo đường dây và TBA khi phụ tải tăng cao trong giai đoạn qui hoạch, chi phí vận hành DG và chi phí năng lượng mua từ HTĐ. Hàm mục tiêu J của bài toán qui hoạch HTPPĐ đề xuất như trong biểu thức (1).

Min)Q.P.

)1(Q.P.(TSDG.CDG

SS.CSSF.CF.)r1(

1J

NDG

1i

DGt,i

DGP

NDG

1i

DGt,i

DGP

NS

1i

St,i

SQ

NS

1i

St,i

SPmax

NDG

i

t,ii

NS

i

t,ii

NF

k

t,kk

T

1tt

→

++

+++

+

+=

∑∑

∑∑∑

∑∑∑

==

==

=

ρρ

ρρ

Trong đó: CFk, CSi là chi phí đầu tư khi nâng cấp đường dây và TBA; SFk,t là công suất nâng cấp của đường dây k trong năm t; CDGi, SDGi,t là chi phí đầu tư xây dựng và công suất nâng cấp DG; PS

i,t, PDG

i,t là công suất tác dụng tại TBA nút i và DG nút i trong năm t; QS

i,t, QDG

i,t là công suất phản kháng tại TBA nút i và DG nút i trong năm t.

Cân bằng công suất tại mỗi nút trong HTĐ như trong biểu thức (2).

∑

∑

=

=

−−−

=−+

−−

=−+

N

1j

t,it,jijt,jt,iij

t,iSt,i

DGt,i

N

1j

t,it,jijt,jt,iij

t,iSt,i

DGt,i

)sin(.U.U.Y

QDQQ

)cos(.U.U.Y

PDPP

δδθ

δδθ (2)

Chất lượng điện áp trong HTPPĐ rất được quan tâm do cung cấp trực tiếp cho thiết bị dùng điện, ít sử dụng thiết bị điều chỉnh điện áp trên lưới phân phối. Do đó, độ lệch điện áp cho phép ở tất cả các nút phải được giới hạn độ lệch, điện áp các nút TBA luôn là hằng số.

NSitanconsU

NLiUUU

t,i

maxt,imin

∈=

∈≤≤ (3)

Ràng buộc cho phép công suất DG lựa chọn tại các nút đảm bảo giới hạn cho phép và công suất nâng cấp trong từng năm phù hợp với thông số thiết bị.

NDGiQQ

NDGiPP

DGmax

DGt,i

DGmax

DGt,i

∈≤

∈≤ (4)

NDGi,1tQQQ

NDGi,1tPPP

DG1t,i

DGt,i

DG1t,i

DGt,i

∈≥+=

∈≥+=

−

−

∆

∆ (5)

TBA cũ đang tồn tại, công suất đảm bảo cung cấp cho hiện tại, nên ràng buộc cho phép sử dụng tối đa công suất các TBA hiện có và thỏa mãn công suất nâng cấp trong từng năm phù hợp với thông số thiết bị.

NSi,1tSSS

NSi,1tSS

S1t,i

St,i

S1,i

St,i

∈≥+≥

∈≥≥

− ∆ (6)

Hình 1. Sơ đồ HTPPĐ hình tia

Kết quả tính toán cho lộ 478, TBA 110kV thành phố Thái Nguyên (hình 1) cho thấy khi sử dụng DG trong phương án qui hoạch, tổng chi phí đầu tư và vận hành giảm 11.48%, điện

Vũ Văn Thắng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 3 - 7

7

áp các nút luôn đảm bảo độ lệch điện áp cho phép. DG được lựa chọn đầu tư với công suất khá lớn (3.7MW) tại những nút ở xa nguồn (nút 34 và 35). Đường dây và TBA biến áp không cần phải nâng cấp.

IV. KẾT LUẬN

Bài báo đã trình bày tiềm năng và khả năng ứng dụng DG trong qui hoạch HTPPĐ trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Từ đó, đề xuất định hướng phát triển DG trong từng khu vực phụ tải trong HTĐ Việt Nam. Khi xuất hiện DG trong HTPPĐ, qui hoạch HTPPĐ có những thay đổi đáng kể dẫn đến hàm mục tiêu và các ràng buộc cũng thay đổi. Bài báo đề xuất mô hình qui hoạch HTPPĐ mới sử dụng hàm mục tiêu là cực tiểu tổng chi phí đầu tư xây dựng DG, chi phí nâng cấp cải tạo đường dây và TBA khi phụ tải tăng cao trong giai đoạn qui hoạch, chi phí vận hành DG và chi phí năng lượng mua từ HTĐ. Kết quả tính toán cho thấy, sử dụng DG trong phương án qui hoạch HTPPĐ luôn cho chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật tốt.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1] Vũ Văn Thắng, Đặng Quốc Thống, Bạch Quốc Khánh (2010), Tiềm năng và ứng dụng của nguồn điện phân tán trong qui hoạch hệ thống phân phối điện, Hội nghị khoa học CLB các trường Đại học Kỹ thuật, Bắc Ninh. [2] H. Lee Willis (2004), Power Distribution Planning Reference Book, Marcel Dekker, Inc [3] N. Mithulananthan, Than Oo and Le Van Phu (2004), Distributed Generator Placemenitn Power Distribution System Using Genetic Algorithm to Reduce

Losses, ThammasaInt t.J . Sc.Tech.Vol.9, No.3, July-September [4] Nguyễn Lân Tráng (2004), Quy hoạch và phát triển HTĐ, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội [5] Amin Hajizadeh, Ehsan Hajizadeh (2008), PSO-Based Planning of Distribution Systems with Distributed Generations, International Journal of Electrical, Computer, and Systems Engineering 2; www.waset.org, Winter [6] Muhammad Ahmadi*, Ashkan Yousefi, Alireza Soroudi*, Mehdi Ehsan *, Multi Objective Distributed Generation Planning Using NSGA-II, 2008 13th International Power Electronics and Motion Control Conference (EPE-PEMC 2008) [7] A.Soroudi and M.Ehsan (2008), Multi Objective Distributed Generation Planning in Liberalized Electricity Markets, Transmission and Distribution Conference and Exposition. IEEE/PES [8] Thomas Ackermann a,*,1, Go¨ran Andersson b, Lennart So¨der (2001), Distributed generation: a definition, Electric Power Systems Research 57 195–204 [9] P. Frase and S. Morita (2002), Distributed Generation in liberalised electricity markets, International Energy Agency, IEA [10] World Wind Energy Association WWEA (2009), World Wind Energy Report 2008, 8th World Wind Energy Conference & Exhibition Wind Power for Islands, South Korea. [11] International Energy Agency (2010), Trends in Photovoltaic Applications - Survey report of selected IEA countries between 1992 and 2009, Report IEA-PVPS T1-19. [12] Keith Davidson (2003), Distributed Generation and CHP for Federal Facilities, DE Solutions. [13] Phát triển nguồn phát điện phân tán, đáp ứng nhu cầu điện năng: Nhìn từ góc bảo vệ môi trường, Theo TCĐL số 2/2009.

SUMMARY THE POTENTIAL AND APPLICATION OF DISTRIBUTED GENERA TIONS IN PLANNING DISTRIBUTION SYSTEMS

Vu Van Thang1∗, Dang Quoc Thong2, Bach Quoc Khanh2, Nguyen Ba Viet3

1ThaiNguyen University of Technology, 2HaNoi University of Technology, 3Industrial Economic - Technology College

Distributed Generations are important electric generators in distribution systems and electric power systems. Distributed Generations connected directly to the distribution systems or on the customer site of the meter so reduced power loss, improve voltage profile, improved reliability, reduced environmental pollution and have got lower capital cost of feeder and substation upgrade. This paper introduces potential and application of Distributed Generations in planning Distribution Systems include small Hydropowers, Wind power, Photovoltaics, Geothermal, Fuel Cells, Combined Heat and Power… A new model of planning Distribution System is proposed with a objective function is included total capital cost of Distributed Generations, feeders and substations upgrade, operation cost of distribution systems and power purchased cost from the electric power systems. Key words: Distributed Generation, planning Distribution System.

∗ Tel: 0915 176569, Email: thangvvhtd@tnut.edu.vn

Ngô Phương Thanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 9 - 13

8

Ngô Phương Thanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 87(1): 9 - 13

9

NGHIÊN CỨU GIẢI BÀI TOÁN ĐIỀU KHI ỂN TỐI ƯU SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TỰA THEO DÃY VÀ GI ẢI THUẬT TÍNH VI PHÂN TỰ ĐỘNG AD CHO HỆ THỐNG ĐỘNG HỌC PHI TUYẾN CÓ RÀNG BUỘC

Ngô Phương Thanh1*, Vũ Quốc Đông2 1Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp – ĐHTN, 2Đại học Kỹ thuật Tổng hợp Ilmenau

TÓM TẮT Bài báo đề cập đến bài toán tối ưu động có ràng buộc ứng dụng phương pháp Tựa theo dãy (Quasi-Sequential Approach) và phương pháp Rời rạc hóa Collocation trực giao. Ưu điểm chính của phương pháp này dựa trên việc làm giảm kích thước, hay chính là việc làm giảm số lượng biến trực tiếp của bài toán tối ưu phi tuyến. Điều này cho phép thuật toán được ứng dụng với những bài toán lớn, phức tạp, đòi hỏi khối lượng và thời gian tính toán lớn. Mục tiêu của nghiên cứu này là phát triển một gói phần mềm được viết trên môi trường C và C++ ứng dụng trong bài toán tối ưu động có sử dụng giải thuật tính vi phân tự động AD (Automatic Differentiation). Từ khóa: tối ưu động, phương trình vi phân-đại số, phương pháp Tựa theo dãy, tối ưu phi tuyến, collocation trực giao, vi phân tự động.

∗ ĐẶT VẤN ĐỀ

Các bài toán tối ưu động nói chung liên quan đến một hệ thống các phương trình vi phân-đại số (DAEs) mô tả các hệ thống động học rất phổ biến trong các lĩnh vực cơ khí, cơ-điện tử, điện và điện tử cũng như công nghệ hóa học.

Các mô hình đại diện cho các quá trình hóa học thường bao gồm một hệ thống những phương trình vi phân thường (ODEs) mô tả những cân bằng khối lượng và năng lượng động của hệ thống, mà trong đó các phản ứng hóa học xảy ra, cùng với các phương trình đại số (AEs) thể hiện các quan hệ cân bằng nhiệt động lực học, những giá trị ở chế độ làm việc xác lập, v.v... Các hệ thống mạch điện bao gồm những phần tử cơ bản như điện trở, tụ điện và điện cảm được mô tả bằng những hệ phương trình vi phân mà được tổng hợp lại bằng các định luật Kirchhoff dưới dạng các phương trình đại số. Trong các hệ thống cơ khí, những hệ phương trình vi phân thường được dùng để mô tả các quá trình động học của những hệ thống con và các phương trình đại số được dùng để tổng hợp các ràng buộc tại các khớp nối.

Nhiệm vụ của bài toán tối ưu động là thực hiện việc tìm kiếm một luật điều khiển cho

∗ Tel: 0915660599

một hệ thống cho trước nhằm đạt được một tiêu chí tối ưu nhất định. Bài toán như vậy bao gồm một hàm chi phí chứa các biến trạng thái (còn gọi là biến phụ thuộc) và các biến điều khiển (còn gọi là biến độc lập) cùng với một tập hợp các phương trình vi phân-đại số mô tả hệ thống động học. Vi ệc giải bài toán tối ưu động nói trên chính là việc đi tìm quỹ đạo của các biến điều khiển nhằm giảm thiểu giá trị hàm chi phí như: tìm đường đi ngắn nhất, tìm thời gian xảy ra quá trình ngắn nhất, cực tiểu hóa chi phí, cực tiểu hóa thời gian tác động, giảm giá thành sản phẩm, v.v...

Một bài toán tối ưu với hệ thống động học phi tuyến được mô tả bằng hệ phương trình DAEs dưới dạng tổng quát như sau:

( )( )

( )

,

0

min , (1. )

. . , , 0 (1. )

(1. )

(1. )

0 (1. )

z u

L U

L U

z u a

s t F z z u b

z z z c

u u u d

z z e

=≤ ≤≤ ≤

=

&

φ

Trong đó z(t) và u(t) lần lượt là các biến trạng thái (phục thuộc) và biến điều khiển (độc lập). Hệ phương trình (1.b) là một hệ phương trình DAEs mô tả hệ thống cần xét, (1.c) và (1.d) là những ràng buộc trên quỹ đạo của biến điều khiển và biến trạng thái,

Ngô Phương Thanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 9 - 13

10

và (1.e) là giá trị khởi tạo của các biến trạng thái tại thời điểm ban đầu.

SƠ LƯỢC NHỮNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU

Những phương pháp gián tiếp Bài toán điều khiển tối ưu có thể được thực hiện bằng cách sử dụng nguyên lý cực đại Pontryagin (điều kiện cần), hoặc bằng cách giải phương trình Hamilton-Jacobi-Bellman (điều kiện đủ). Những phương pháp này được xếp vào nhóm phương pháp gián tiếp. Phương pháp này có thể được sử dụng để các bài toán biên trị (còn gọi là bài toán bờ) với những bước nhảy và chuyển mạch trạng thái mà về mặt số học thường rất khó giải do nó có bán kính hội tụ địa phương rất nhỏ. Việc hình thành điều kiện tối ưu cho bài toán thường rất khó khăn và đòi hỏi những kiến thức nền tảng tốt về giải tích. Mặt khác, những phương pháp giải kiểu này rất tốn thời gian. Hơn nữa, lời giải của rất nhiều bài toán tối ưu động không thể tìm được theo cách giải tích, chẳng hạn khi tồn tại các ràng buộc về quỹ đạo với các biến điều khiển và/hoặc các biến trạng thái.

Những phương pháp trực tiếp Ngược lại, những phương pháp trực tiếp, ví dụ như phương pháp Collocation, trước hết thực hiện việc tương đối dễ tiến hành là rời rạc hóa bài toán tối ưu động dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, mà thường tốn ít thời gian hơn và không yêu cầu người thực hiện phải có nền tảng tốt về giải tích; rồi sau đó thực hiện việc giải bài toán tối ưu phi tuyến hữu hạn bằng các thuật toán quy hoạch phi tuyến sẵn có. Phương pháp này thường cho bán kính hội tụ địa phương khá rộng.

Với phương pháp trực tiếp, bài toán tối ưu động được rời rạc hóa và chuyển thành bài toán tối ưu phi tuyến. Một số phương pháp sử dụng các phương án rời rạc hóa các phương trình vi phân bằng những thuật toán như Euler, hình thang hay Runge-Kutta, bằng cách xác định một lưới các điểm N trong khoảng thời gian 0[ , ]ft t , 0 1 2... N ft t t t t= < < = .

Theo những phương pháp này, các phương trình vi phân (1.b) trở thành các ràng buộc cân bằng của bài toán tối ưu phi tuyến hữu hạn. Các phương pháp trực tiếp khác thì sử

dụng phương pháp xấp xỉ các biến điều khiển và biến trạng thái sử dụng các hàm cơ sở, như hàm Splines hoặc đa thức Lagrange.

Các phương pháp trực tiếp mà chủ yếu là các phương pháp số lại được chia thành hai nhóm, phương pháp giải Theo dãy (Sequential) và phương pháp giải Đồng thời (Simultaneous). Trong phương pháp giải Theo dãy, chỉ có các biến điều khiển được rời rạc hóa thành một tập hữu hạn các biến điều khiển, và bài toán tối ưu được thực hiện trên không gian với tập biến điều khiển này. Do đó các phương pháp này thường được đề cập đến như là các phương pháp rời rạc hóa các biến điều khiển.

Trong phương pháp giải Đồng thời [2], bài toán điều khiển tối ưu được chuyển thành bài toán tối ưu phi tuyến hữu hạn bằng cách rời rạc hóa toàn bộ các tín hiệu điều khiển cũng như các các tín hiệu trạng thái; do đó, phương pháp này được coi như phương pháp rời rạc hóa đầy đủ. Do những ưu điểm của nhóm phương pháp này so với các pháp trước đó, nhóm phương pháp tối ưu đồng thời trực tiếp đã được sử dụng rộng rãi trong các bài toán điều khiển tối ưu hiện đại.

Người ta cũng đã áp dụng những phương pháp số được coi là khá hiệu quả để giải quyết bài toán quy hoạch phi tuyến với các ràng buộc, chẳng hạn như Quy hoạch toàn phương liên tiếp với Tập tích cực (Active-Set SQP), phương pháp Điểm trong (Interior-Point). Các phương pháp trực tiếp sử dụng quy hoạch phi tuyến đã giải quyết khá tốt các bài toán liên quan đến các ràng buộc về quỹ đạo. Những độc giả có quan tâm có thể tìm hiểu thêm nội dung chi tiết trong tài liệu [4].

Phương pháp Tựa theo dãy - Quasi-Sequential Method (QSA)

Phương pháp Tựa theo dãy [3] kết hợp hai thuật toán đồng thời và tuần tự trong bài toán tối ưu động nhằm kết hợp ưu điểm của cả hai phương pháp này bằng cách chia không gian các biến được rời rạc hóa thành hai không gian riêng rẽ: không gian các biến điều khiển và không gian các biến trạng thái.

Ngô Phương Thanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 87(1): 9 - 13

11

Phương pháp Collocation trực giao giải hệ phương trình vi phân-đại số DAEs

Theo tài liệu [3], với việc áp dụng phương pháp collocation trực giao, ở đây là phương pháp Radau Collocation, một đa thức Lagrange trực giao với những điểm mút thời gian Radau, được sử dụng để xấp xỉ các biến trạng thái trong hệ phương trình DAEs:

,, ,

0 0 0 , ,

( ) ( )NCNC NC

l il j l j l j

j j i l j l ii j

t tz t l t z z

t t= = =≠

− = = −

∑ ∑ ∏% % (2.a)

Trong đó: l = 1, 2, …, NL là số đoạn thời gian được chia trong khoảng thời gian cần tính toán,

i,j = 1, 2, …, NC là số điểm collocation trong một đoạn thời gian. Các biến trạng thái và các thành phần vi phân tại các điểm collocation của đoạn thời gian thứ l được tính như sau:

, , ,0

,,,

0

( ) ( )

( )( )

, 0 ,1, . . . ,

N C

l l i j l i l jj

N Cj l il l i

l jj

z t l t z

d l td z tz

d t d t

i j N C

=

=

=

=

=

∑

∑

%

%

(2.b)

Rời rạc hóa-Phương pháp Đồng thời

Các biến điều khiển được rời rạc hóa thành từng đoạn hằng số u% trong từng đoạn thời gian cùng với các biến trạng thái [2]. Bài toán (1) sau đó được chuyển thành bài toán tối ưu phi tuyến thông thường:

( )( )

, min , (3. )

. . , 0 (3. )

(3. )

(3. )

m n mz u

L U

L U

f z u a

s t c z u b

z z z c

u u u d

−∈ℜ ∈ℜ

=≤ ≤≤ ≤

%%

%%

%%

%

% Rời rạc hóa-Phương pháp Tựa theo dãy QSA

Theo phương pháp Tựa theo dãy, hệ thống các phương trình (3.b) được loại bỏ, thay vào đó là một lớp bài toán con thực hiện việc mô phỏng, trong đó các biến trạng thái được tính toán dựa vào các biến điều khiển theo phương trình mô tả hệ thống đã được rời rạc hóa thành hệ phương trình đại số phi tuyến và giải theo phương pháp Newton-Raphson, và bài toán (3) chuyển thành:

( )( )

min ( ) : (4. )

. . ( ) : (4. )

(4. )

n m

n

u R

n m mL U

n mL U

f z u ,u f R R a

s t z z u z z u R R b

u u u u R c

−∈

−

−

→

≤ ≤ →

≤ ≤ ∈

% %

% %

% %

Những chi tiết về phương pháp Tựa theo dãy QSA được trình bày trong tài liệu [3].

Phương pháp tối ưu Điểm trong với bài toán quy hoạch phi tuyến

Bài toán (4) chỉ chứa các biến điều khiển và các ràng buộc không cân bằng. Bằng cách thêm các biến phụ s để chuyển các ràng buộc không cân bằng (4.b) thành các ràng buộc cân bằng, ta có:

( )( )( )

min : (5. )

. . 0 (5. )

(5. )

(5. )

n m

n

u R

mL U

n mL U

f z u ,u f R R a

s t z u s b

z s z s R c

u u u u R d

−∈

−

→

− =

≤ ≤ ∈

≤ ≤ ∈

%

% %

%

% % Không làm mất tính tổng quát, ta có thể viết lại bài toán (5) dưới dạng:

( )( )

min : (6. )

. . 0 : (6. )

0 (6. )

n

n

x R

n m

n

f x f R R a

s t h x h R R b

x x R c

∈→

= →

≤ ∈ Trong đó:

( ) , ( ) ( ) (7)Tx s u h x z u s= = −% %

Nhằm áp dụng phương pháp tối ưu điểm trong, bằng cách sử dụng hàm chặn Lôgarit, ta có:

( ) ( ) ( )( )

1

min ln (8. )

. . 0 (8. )

n

ni

µx R i

φ x f x µ x a

s t h x b

∈ =

= −

=

∑

Bài toán (8) là dạng chuẩn tắc để sử dụng phương pháp tối ưu Điểm trong. Những mô tả chi tiết về phương pháp giải bài toán tối ưu phi tuyến này được thể hiện trong tài liệu [2].

Phương pháp Newton-Raphson giải hệ phương trình đại số phi tuyến

Trong phương pháp Tựa theo dãy [3], hệ phương trình DAEs mô tả hệ thống (1.b) sau khi áp dụng phương pháp Collocation trực giao được chuyển thành hệ phương trình đại số phi tuyến tại mỗi đoạn collocation như hệ phương trình (3.b). Tại vị trí collocation thứ

thl phương trình hệ thống với các điểm collocation được viết gọn như sau:

( ),0, , 0 1,..., (9)c z u z NL= =

l l l l%% % l

Trong đó ,0zl% là giá trị khởi tạo của phần tử

zl% , NL là số khoảng thời gian được chia. Áp

Ngô Phương Thanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 9 - 13

12

dụng phương pháp Newton-Raphson giải hệ phương trình đại số phi tuyến (9) với các biến

zl% và tham số u% , ta cần tính các giá trị đạo

hàm với biến zl% :

c

z

∂∂

l

l%

(10)

Tính toán độ nhạy (Sensitivities)

Để có thể giải bài toán (5) đối với biến u% theo phương pháp Điểm trong, ta phải tính

các giá trị đạo hàm (gradients) f

u

∂∂ %

và

(jacobians) (Trong đó ( )z u%% thực chất là một hàm ẩn.) Ngoài ra, theo luật di truyền, ta còn

cần tính thêm giá trị gradient ,0

( )z u

z

∂∂

l

%%

%

. Theo

định lý về hàm ẩn, ta có thể tính các giá trị đạo hàm trên như sau:

,0 ,0

và (11)T T

z zc c c c

u z u z z z

− − ∂ ∂∂ ∂ ∂ ∂ = − = − ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂

l l

l l l l l

% %

% %% % % % Cần nhắc lại (9) là một hệ phương trình đại số phi tuyến nên việc tính giá trị các đạo hàm (10) và (11) theo phương pháp giải tích hàm một cách chính xác là việc không đơn giản. Điều này đã làm nảy sinh yêu cầu tìm các giải thuật tính toán các giá trị đạo hàm gần đúng theo phương pháp giải tích số dựa trên các phép vi phân số một cách tự động, ví dụ như phép sai phân tiến hoặc sai phân lùi [4].

Phép tính vi phân tự động-Tổng quan các công cụ phần mềm Theo tài liệu [4] thì các phương pháp tính vi phân phổ biến hiện nay là:

1) Vi phân ký hiệu; 2)Vi phân hữu hạn; 3) Vi phân tự động.

Hai phương pháp 1) và 2) đều tồn tại nhiều nhược điểm, đặc biệt khi tính toán các đạo hàm bậc cao. Phương pháp 1) có tốc độ tính toán tương đối chậm và khó khăn trong lập trình khi chuyển đổi một chương trình máy tính thành một biểu thức. Phương án 2) thì có nhược điểm cơ bản là tạo ra những sai số trong quá trình rời rạc hóa và ước lược. Phương án 3) thì không gặp phải những nhược điểm trên. Do đó việc lựa chọn phương án 3) trong tính toán các đạo hàm (10) và (11) là điều tất yếu, việc còn lại là lựa chọn công cụ phần mềm sẵn có thích

hợp cho việc phát triển. Dựa theo [1], phần mềm mã nguồn mở cppAD [6] được chọn do nó có một số ưu điểm nhất định so với các phần mềm còn lại như không yêu cầu nhiều bộ nhớ, cho tốc độ tính toán nhanh, dễ tìm hiểu lập trình.

PHÁT TRIỂN GÓI PHẦN MỀM

Phần mô phỏng hệ DAEs Phần mô phỏng hệ DAEs mà thực chất là giải hệ DAEs bằng phương pháp collocation trực giao để tìm các giá trị biến trạng thái từ các giá trị của biến điều khiển được cung cấp từ bài toán tối ưu phi tuyến. Hệ phương trình đại số phi tuyến được thành lập theo phương pháp Collocation sau đó sẽ được giải bằng phương pháp Newton-Raphson với thông tin về đạo hàm được cung cấp từ các chương trình con trong phần mềm cppAD viết trên C++.

Giải bài toán tối ưu phi tuyến Bài toán tối ưu phi tuyến với tập hợp biến là các biến điều khiển được giải bằng phương pháp Điểm trong sử dụng phần mềm IPOPT viết trên C và C++. Tài liệu [3] trình bày những chi tiết về phương pháp Điểm trong và phần mềm IPOPT.

VÍ DỤ

Để đánh giá kết quả của nghiên cứu này, một bài toán trong điều khiển tối ưu được lấy làm ví dụ minh họa. Đó là bài toán điều khiển hệ dao động Val der Pol đã được trình bày trong tài liệu [5]:

( )( )

3

21 2 1 2

2 1

2 2 23 1 2

1

min 5 (12. )

. . 1 (12. )

(12. )

(12. )

0.3 ( ) 1.0 (12. )

0.4 ( ) (12. )

(0) [0,1.0, 0] (12. )

[0, 5] (12. )

T

J x a

s t x x x x u b

x x c

x x x u d

u t e

x t f

x g

t h

=

= − − +

=

= + +− ≤ ≤

− ≤

=∈

&

&

&

Bài toán (12) được giải trong hai trường hợp có và không có ràng buộc quỹ đạo (12.f). Với trường hợp không có ràng buộc (12.f), kết quả J=2.867391 có tốt hơn so với giá trị 2.86875 được thể hiện trong [5]. Với trường hợp có ràng buộc (12.f), giá trị J=2.95428 cũng tốt hơn so với kết quả 2.95436 được thông báo trong [5]. Các đồ thị tín hiệu u(t) và x(t) được

Ngô Phương Thanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 87(1): 9 - 13

13

thể hiện trong các Hình 1 và 2 mà ta có thể thấy rõ một số cung suy biến do sự xuất hiện các ràng buộc về quỹ đạo đối với tín hiệu điều khiển u(t) và trạng thái x(t).

Hình 1. Đồ thị tín hiệu điều khiển u(t)

Hình 2. Đồ thị tín hiệu trạng thái x(t)

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Bài báo đã đề cập đến phương pháp giải bài toán tối ưu với các hệ thống động học có ràng buộc theo phương pháp Tựa theo dãy có sử dụng các giải thuật tính vi phân tự động AD. Một gói phần mềm cũng đã được phát triển nhằm cung cấp cho người dùng một môi trường thân thiện dễ sử dụng nhờ việc tổng quát hóa bài toán tối ưu động nhằm giảm thiểu công tác chuẩn bị và thiết lập bài toán. Được kết hợp với một phần mềm giải

bài toán tối ưu phi tuyến theo phương pháp Điểm trong, gói phần mềm được viết đã chứng minh được tính hiệu quả của nó thông qua các ví dụ đã được trình bày trong bài báo. Thừa kế được những ưu điểm của phương pháp Tựa theo dãy, gói phần mềm này được trông đợi là có thể áp dụng được với những bài toán có cấu trúc phức tạp với khối lượng biến tương đối lớn. Đây là vấn đề cần được tiến hành trong những nghiên cứu tiếp theo sâu hơn trong tương lai cùng với những mở rộng về mặt lý thuyết, đặc biệt là với bài toán điều khiển tối ưu với đối tượng có những quỹ đạo suy biến.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO [1] Andersson, Joel; Houska, Boris; and Diehl, Moritz (2010). Towards a Computer Algebra System with Automatic Differentiation for use with Object-Oriented modelling languages. http://www.ep.liu.se/ecp/047/011/.

[2] A. Wächter and L. T. Biegler (2006), On the implementation of a primal-dual interior point filter line search algorithm for large-scale nonlinear programming. Mathematical Programming, 106(1), 25-57. [3] Hong, W.; P. Li; G. Wozny; L. T. Biegler and S. Wang (January 2006), A Quasi-Sequential Approach to Large-Scale Dynamic Optimization Problems, AIChE Journal, Volume 52, No.1, , 255-268. [4] Jorge Nocedal and Stephen J. Wright (2006), Numerical Optimization, Second Edition, Springer,. [5] V. S. Vassiliadis; R. W. H. Sargent; and C. C. Pantelides (1994). Solution of a Class of Multistage Dynamic Optimization Problems. 2. Problems with Path Constraints. Ind, Eng. Chem. Res., 33, 2123-2133. [6] A Package for Differentiation of C++ Algorithms. http://www.coin-or.org/CppAD/.

SUMMARY DYNAMIC OPTIMIZATION USING QUASI-SEQUENTIAL APPROAC H AND AUTOMATIC DIFFERENTIATION ALGORITHM FOR CONSTRAINED NONLINEAR DYNAMICAL SYSTEMS

Ngo Phuong Thanh1∗, Vu Quoc Dong2 1College of Technology – TNU, 2Ilmenau University of Gerneral Technologgy

This paper deals with dynamic optimization problems with path constraints based on Quasi-sequential Approach (QSA) and Automatic Differentiation algorithms embedded in orthogonal collocation for solving Differentiation-Algebraic Equation (DAEs) systems. This method takes advantage of reducing the dimension or decreasing the number of variables of the Nonlinear Programming (NLP) problems. This makes it possible for the QSA approach to handle time-consuming large-scale problems. The goal of this research is to develop a software environment written in C and C++ to solve dynamic optimization problems by using Automatic Differentiation algorithms. Key words: dynamic optimization, differential-algebraic equations, orthogonal collocation, quasi-sequential approach, nonlinear optimization, automatic differentiation.

∗ Tel:0915660599

Đoàn Thanh Hải và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 15 - 13

14

Đoàn Thanh Hải và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 15 - 20

15

XÂY DỰNG MÔ HÌNH H Ệ THỐNG TRUYỀN DẪN ĐỂ TÍNH TOÁN GI ẢI TÍCH CHẤT LƯỢNG BER CỦA HỆ THỐNG VÔ TUYẾN SỐ M-QAM

Đoàn Thanh Hải1*, Đoàn Thị Thanh Thảo2

1Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp - ĐHTN, 2Trường ĐH CNTT&TT – ĐHTN

TÓM TẮT Trong phân tích, thiết kế và đánh giá thống M-QAM với bộ khuếch đại công suất phi tuyến, việc ước lượng BER rất phức tạp và việc tính toán giải tích BER đối với các hệ thống như vậy thường là không thực tế. Để đánh giá tác động của riêng bộ khuếch đại công suất phi tuyến, tham số độ phi tuyến của bộ khuếch đại công suất như độ lùi công suất (BO – Back-Off) đã được nghiên cứu. Tuy nhiên, các tác giả đã kiểm tra (bằng mô phỏng máy tính) và kết quả cho thấy rằng với các giả thiết đã sử dụng chất lượng của hệ thống không hoàn toàn chính xác. Bài báo này sẽ đề xuất một mô hình giả định, để có thể tính toán được một cách giải tích, đơn giản và nhanh giới hạn trên của đường cong tỉ lệ lỗi bit BER của hệ thống thực. Kết quả đã đạt được một số công thức kinh nghiệm, chủ yếu bằng mô phỏng máy tính, nhằm xác định thiệt hại tỷ số tín trên tạp (SNRD – Signal-to-Noise Ratio Degradation) gây bởi méo phi tuyến của bộ khuếch đại công suất. Mô hình giả định đã được đề xuất, tuy vậy, lại có chất lượng tồi hơn hệ thống thực và do đó chất lượng của nó có thể sử dụng như một giới hạn trên của chất lượng hệ thống thực. Từ khoá: mô hình giả định, hệ thống M-QAM, thủ tục tính toán, giới hạn trên của BER..

∗∗∗∗Mô hình giả định của hệ thống

Sơ đồ khối của một hệ thống vô tuyến số mặt đất M-QAM tiêu biểu có thể thể hiện lại như trên hình 1. Các khối đứt nét thể hiện các thuật toán có thể có hoặc không có trong thiết kế. Để đơn giản, các khối AGC, khôi phục sóng mang và khôi phục đồng hồ đã không được thể hiện chi tiết. Mọi dạng sóng thời gian của tín hiệu đều là băng gốc hoặc là tín hiệu băng gốc tương đương. Tương tự, tất cả các đáp ứng tần số của các khối đều là các đáp ứng băng gốc hoặc băng gốc tương đương.

Hình 1. Sơ đồ khối tiêu biểu hệ thống vô tuyến số M-QAM

∗ Tel: 0984063567, Email: haidt1979@yahoo.com

Các nguồn gây suy giảm chất lượng chủ yếu bao gồm méo tuyến tính gây bởi các bộ lọc chế tạo không hoàn hảo và pha-đinh đa đường chọn lọc tần số, méo phi tuyến gây bởi bộ KĐCS phát, sai lệch pha sóng mang và sai lệch đồng hồ. Bộ lọc phụ lối ra bộ KĐCS chỉ được thiết kế để loại bỏ phát xạ phụ (sự mở rộng phổ gây bởi tính phi tuyến của bộ KĐCS) và không ảnh hưởng tới tín hiệu hữu ích và do đó có thể không cần tính tới trong các xem xét ở đây. Bằng cách kết hợp a) kênh vô tuyến, bộ lọc thu và mạch san bằng trong một khối được đặt lại tên là bộ lọc thu (Rx. Filter); b) bộ méo trước và bộ KĐCS trong khối KĐCS (HPA – High Power Amplifier); và c) bộ giải điều chế (thực chất là khối thực hiện thuật toán nhân loại bỏ sóng mang trong quá trình giải điều chế), mạch lấy mẫu và mạch quyết định thành khối giải điều chế (DEMOD), sơ đồ khối của hệ thống khi này đơn giản được như trên hình 2a và có thể biểu diễn đơn giản hơn nữa như trên hình 2b. Mô hình giả định, trong đó bộ KĐCS được đặt trước bộ lọc phát với các khối có cùng các đặc tính như các khối trong mô hình thực tế (các bộ lọc có cùng hệ số uốn lọc, bộ KĐCS có cùng độ lùi công suất đỉnh BOP…) được mô tả trên hình 2c.

Đoàn Thanh Hải và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 15 - 20

16

Hình 2. a) Sơ đồ khối đơn giản của hệ thống; b) Bộ KĐCS nằm kẹp giữa các bộ lọc phát và thu;

c) Mô hình giả định

Trong [3, 4], các tác giả đã chỉ ra rằng chất lượng của hệ thống theo mô hình giả định kém hơn chất lượng của hệ thống thực và do vậy có thể sử dụng được như một giới hạn trên của chất lượng hệ thống thực. Lý do có thể giải thích được một cách vắn tắt như sau. Ta đã biết rằng độ phi tuyến của bộ KĐCS và sự suy giảm chất lượng hệ thống (như SNRD chẳng hạn) phụ thuộc vào công suất trung bình của tín hiệu lối vào bộ KĐCS. Tín hiệu lối vào bộ KĐCS trong mô hình giả định hình 2c là tín hiệu NRZ song tín hiệu lối vào bộ KĐCS trong hệ thống thực (mô hình hệ thống hình 2b) lại là tổng các đáp ứng xung của bộ lọc phát. Khi tính đến cả sự vọt đỉnh (overshoot) gây bởi bộ lọc phát, giá trị tổng cộng lớn nhất của tín hiệu lối ra mạch lọc phát trong hình 2b lớn hơn nhiều giá trị lớn nhất của tín hiệu lối vào bộ KĐCS trong hình 2c. Điều này có nghĩa là với cùng một giá trị độ lùi công suất đỉnh BOP (Peak Back-Off) của các bộ KĐCS trong cả hai mô hình, công suất trung bình của tín hiệu của tín hiệu tại lối vào bộ KĐCS trong mô hình 2b nhỏ hơn nhiều so với trường hợp trong mô hình giả định 2c. Xét về pha, việc dịch chuyển của các điểm tín hiệu trung bình trên mặt phẳng pha (trên biểu đồ chòm sao tín hiệu thu) trong mô hình giả định mạnh hơn so với trong mô hình hệ thống thực, do vậy gây nên SNRD lớn hơn. Tất nhiên, trong mô hình hệ thống thực tế thì bộ KĐCS lại gây nên ISI lớn hơn so với trong mô hình giả định song giữa ảnh hưởng tới chất lượng hệ thống của các dịch chuyển điểm các tín hiệu lớn và ảnh hưởng gây ISI

thì ảnh hưởng của sự dịch chuyển các điểm tín hiệu trội hơn. Kết luận này đã được kiểm tra trong [10] bằng mô phỏng máy tính đối với một số bộ KĐCS và một số giá trị BOP khác nhau.

Phân tích mô hình giả định dưới tác động đồng thời của méo tuyến tính và méo phi tuyến, sai lệch đồng hồ và sai lệch pha sóng mang Sơ đồ khối của hệ thống M-QAM theo mô hình giả định được trình bày trên hình 3. Dữ liệu lối vào là chuỗi các giá trị dữ liệu phức M mức Ck với k là chỉ số khe thời gian của symbol. Mỗi một symbol Ck được lấy từ một bảng chữ cái M điểm γm (là chòm sao tín hiệu phát), m = 1, 2,…, M. Symbol Ck có thể biểu diễn theo: Ck = ak + jbk, trong đó ak và bk lần lượt là các thành phần đồng pha và vuông pha của symbol Ck. Ck cũng có thể biểu diễn được dưới dạng véc-tơ:

Ck =

k

k

b

a, ak, bk = ±1, ±3,…, ±( M -1) (1)

Tại thời điểm lấy mẫu, tại lối ra mạch lấy

mẫu, tín hiệu nhận được là tập kC~

với kC

~=

kk bja~~ + và biểu diễn được ở dạng véc-tơ:

kC~ =

k

k

b

a~

~ (2)

Hình 3. Sơ đồ khối hệ thống theo mô hình giả định Tại lối ra mạch điều chế, tín hiệu có dạng:

[ ]∑ −+−=k

kk kTtjbkTtats )()()( εε (3)

Trong đó: T là khoảng thời gian một symbol, còn

−∉−∈

=]2/,2/[0

]2/,2/[1)(

TTt

TTttε (4)

Ở dạng véc-tơ, s(t) có thể biểu diễn theo:

s(t) =

b

a

s

s (5)

Đoàn Thanh Hải và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 15 - 20

17

trong đó: ∑ −=k

ka kTtas )(ε và

∑ −=k

kb kTtbs )(ε (6)

Đối với các tuyến vô tuyến số mặt đất với độ rộng băng thông thông thường (BW ≤ 40 MHz) bộ KĐCS có thể xem như một khối phi tuyến không nhớ [2] mô tả bởi các đặc tính biến điệu điều biên-điều biên (AM/AM conversion) và biến điệu điều biên-điều pha (AM/PM conversion), khi đó tín hiệu lối ra của bộ KĐCS có thể biểu diễn bởi véc-tơ

b

a

w

w , trong đó:

[ ][ ]∑

∑

−∆+=

−∆+=

kkkb

kkka

kTtbbw

kTtaaw

)()(

)()(

2

1

ε

ε (7)

∆1(ak) và ∆2(bk) lần lượt là các lượng méo phi tuyến của phần thực và phần ảo của tín hiệu, gây bởi các biến điệu AM/AM và AM/PM và phụ thuộc vào các đặc tính AM/AM và AM/PM của bộ KĐCS cũng như và symbol Ck. Đáp ứng xung tổng cộng của các mạch lọc phát và thu được định nghĩa là h(t) = hc(t) + jhs(t) và tín hiệu tại lối ra mạch giải điều chế là:

)()()()( tnthtwty +∗= (8)

Dưới dạng véc-tơ và ma trận, y(t) có thể biểu diễn được theo:

+

∆+∆+

=

= ∑

s

c

kkk

kk

k

b

a

n

n

bb

aa

y

yt

)(

)()(

2

1hy (9)

Trong đó )()()( tjytyty ba += và có thể biểu

diễn dưới dạng véc-tơ như bên vế trái của (9), còn

−=

cksk

skckk hh

hhh

,

)(

)(

kTthh

kTthh

ssk

cck

−=

−=∆

∆, (10)

tạp âm )()()()()( tjntnthttn scR +=∗= η là

một quá trình ngẫu nhiên băng hẹp và có thể biểu diễn được dưới dạng véc-tơ như bên vế phải của (9), hR(t) là đáp ứng xung của bộ lọc thu.

Khi có méo tuyến tính, h(t) có thể biểu diễn được theo:

)()()()()()()( thjthtjctcthtcth scsc ∆+∆++=∆+= (11)

Trong đó c(t) ∆= cc(t) + jcs(t) là đáp ứng xung

của hệ thống với trường hợp không có méo phi tuyến và méo tuyến tính, nghĩa là c(t) thỏa mãn tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất:

≠==

=0,,0

0,1)(

kkTt

ttc (12)

còn )()()( thjthth sc ∆+∆=∆∆

(13)

Dưới dạng véc-tơ và từ (12) ta có

000

00)0(,

10

01)0(, 0 ≠∀

=

=

−= k

cc

cck

cksk

skck

k ccc

(14)

Dưới tác động đồng thời của méo tuyến tính, méo phi tuyến và sai lệch đồng hồ, tín hiệu lối ra của thiết bị lấy mẫu tại thời điểm lấy mẫu đối với symbol thứ 0 có thể biểu diễn được theo:

+

∆+∆+

+

∆+∆+

=

∑

)(

)(

)(

)()(

)(

)()(~

~

2

1/

020

010

0

0

0

δδ

δδs

c

kk

kk

kk n

n

bb

aa

bb

aa

b

ahh

(15)

Trong đó δ là sai lệch đồng hồ tĩnh và dấu phảy đằng sau dấu Σ nghĩa là số hạng với k = 0 cần bỏ qua trong tổng. Thực ra, sai lệch đồng hồ là một quá trình ngẫu nhiên và tại thời điểm lấy mẫu đối với symbol thứ 0 thì sai lệch đồng hồ thực tế là một biến ngẫu nhiên, song dưới tác động của bộ khôi phục đồng hồ trong trạng thái xác lập thì nó thường được giữ cho nhỏ hơn sai lệch đồng hồ tĩnh. Việc tính với sai lệch đồng hồ tĩnh như thế sẽ dẫn đến BER ước lượng được trong trường hợp xấu nhất của sai lệch đồng hồ.

Trong (15), ma trận đáp ứng xung tại thời điểm lấy mẫu có thể biểu diễn được ở dạng:

( )

∆+∆+∆+∆+∆+∆+−∆+∆+

=

−=

)()0()()0(

)]()0([)()0(

)()(

)()(

δδδδ

δδδδ

δ

ckckcknksksk

skskskckckck

cksk

skckk

hcchcc

hcchcc

hh

hhh

(16)

Trong đó ∆cck = cck(δ) – cck(0) và ∆csk = csk(δ) – csk(0), ∆hck(δ) và ∆hsk(δ) là ∆hc(t) và ∆hs(t) trong (13) đối với khe thời gian symbol thứ k, lấy tại t = δ.

Đoàn Thanh Hải và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 15 - 20

18

Thay (16) vào (15) và để ý rằng theo (14) thì cc0(0) = 1 và cs0(0) = 0, cck(0) = csk(0) = 0, ta được:

( )( )

( )( )

( )( )

( )( )

+

∆+∆+

∆+∆∆+∆∆+∆−∆+∆

+

∆+∆+

∆+∆+∆+∆+∆+∆+−∆+∆+

=

+

∆+∆+

−+

+

∆+∆+

−=

∑

∑

)(

)(

)()(

)]([)('

)(1)(0

)](0[)(1

)(

)(

)()(

)()(

)()(

)()(~

~

2

1

020

010

0000

0000

2

1'

020

010

00

00

0

0

δδ

δδδδ

δδδδ

δδ

δδδδ

δδδδ

s

c

k kk

kk

ckcknksk

skskckck

ccss

sscc

s

c

k kk

kk

cksk

skck

cs

sc

n

n

bb

aa

hchc

hchc

bb

aa

hchc

hchc

n

n

bb

aa

hh

hh

bb

aa

hh

hh

b

a

(17)

Bằng cách viết lại (17) ta có:

( )( )

( )( )

( )( )

( )( )

+

∆+∆+

∆∆∆−∆

+

∆∆∆−∆

+

∆+∆+

∆∆∆−∆

+

+

∆+∆+

∆∆∆−∆

+

∆+∆+

=

∑)(

)(

)()(

)()(

)()(

)()(

10

01~

~

2

1'

020

010

00

00

020

010

00

00

020

010

0

0

δδ

δδδδ

δδδδ

s

c

k kk

kk

cksk

skck

cksk

skck

cs

sc

cs

sc

n

n

bb

aa

hh

hh

cc

cc

bb

aa

hh

hh

bb

aa

cc

cc

bb

aa

b

a

(18)

Cuối cùng ta được: ( )( )

( )( )

( )( )

+

∆∆∆−∆

+

+

∆∆∆−∆

+

∆∆

∆∆∆−∆

+

+

∆∆

∆∆∆−∆

+

∆∆

+

=

∑

∑∑

∑

)(

)(

)()(

)()(

)()(

)()(

~

~

2

1

2

1

02

01

0

0

0

0

δδ

δδδδδδδδ

s

c

k k

k

cksk

skck

k k

k

cksk

skck

k k

k

cksk

skck

k k

k

cksk

skck

n

n

b

a

hh

hh

b

a

cc

cc

b

a

hh

hh

b

a

cc

cc

b

a

b

a

b

a

(19)

Trong thực tế thì:

kk aa <<∆ )(1

, kk bb <<∆ )(2

; |∆cck|, |∆cck| << 1 và |∆hck(δ)|, |∆hsk(δ)| << 1 nên các số hạng thứ 3 và thứ 4 bên vế phải của (19) có thể bỏ qua được. Thêm vào đó, trong các tình huống thực tế thì ∆hck(t) = hck(t) − cck(t) và ∆hsk(t) = hsk(t) − csk(t) có các giá trị khá nhỏ. Hơn thế nữa, δ thường cũng khá nhỏ. Như vậy, chúng ta có thể giả thiết rằng ∆hck(δ) ≈ ∆hck(0) và ∆hsk(δ) ≈ ∆hsk(0). Số hạng thứ 6 bên vế phải của (19) có thể thay bằng véc-tơ ISI gây bởi chỉ riêng méo tuyến tính. Từ phân tích như trên ta có thể kết luận rằng dưới tác động đồng thời của méo tuyến tính, méo phi tuyến và sai lệch đồng hồ, véc-tơ tín hiệu thu tại lối ra mạch lấy mẫu là một tổng của 5 véc-tơ. Véc-tơ thứ nhất là tín hiệu mong muốn, véc-tơ thứ hai là véc-tơ dịch chuyển tín hiệu gây bởi các đặc tính AM/AM và AM/PM của

bộ KĐCS, véc-tơ thứ ba là véc-tơ ISI gây bởi chỉ riêng sai lệch đồng hồ (tức là với hệ thống có đáp ứng xung hoàn toàn lý tưởng và không có méo phi tuyến), véc-tơ thứ tư thì xấp xỉ tốt được bằng véc-tơ ISI gây bởi chỉ riêng méo tuyến tính và véc-tơ thứ năm là tạp âm băng hẹp được lấy mẫu. Trong [1, 5], các tác giả đã chỉ ra rằng ISI gây bởi riêng sai lệch đồng hồ trong các hệ thống M-QAM với một hệ số uốn đã cho α của các bộ lọc phát và thu có thể làm gần đúng rất tốt bằng một biến ngẫu nhiên Gauss, kỳ vọng bằng không với phương sai σ1 tỷ lệ với sai lệch đồng hồ δ. Các hàm số mô tả quan hệ giữa σ1 và δ có dạng σ1 = a(α).δ đối với các hệ thống M-QAM với các giá trị khác nhau của M đã được trình bày trong mục [3]. ISI gây bởi chỉ riêng méo tuyến tính có thể xấp xỉ là một biến ngẫu nhiên Gauss có kỳ vọng bằng 0 đối với các hệ thống M-QAM (M ≥ 16) hoặc là một biến ngẫu nhiên phân bố đều kỳ vọng bằng 0 đối với hệ thống 4-QAM [3, 5, 6] và phương sai σ2 của nó có thể nhận được bằng mô phỏng máy tính, thí dụ như bằng phần mềm ASTRAS. Véc-tơ dịch chuyển đối với từng tín hiệu thì có thể xác định dễ dàng từ các đặc tính AM/AM và AM/PM của bộ KĐCS và BOP. Trong trường hợp có sai pha sóng mang, chúng ta có thể thấy rằng sai pha sóng mang thực tế là một quá trình ngẫu nhiên song dưới tác động của bộ khôi phục sóng mang trong chế độ xác lập thì nó thường được duy trì nhỏ hơn sai pha tĩnh ϕ0.

Tính ảnh hưởng của sai lệch pha sóng mang với giá trị sai pha tĩnh này, do vậy, sẽ cho kết quả BER trong trường hợp xấu nhất, tức là càng bảo đảm BER của hệ thống theo mô hình giả định là giới hạn trên của BER đối với hệ thống thực. Tác động của sai pha trong trường hợp xấu nhất như vậy lại chỉ là xoay mặt mẳng pha phía thu đi một góc -ϕ0 hay tương đương với việc quay tín hiệu thu được đi một góc ϕ0.

Như vậy, BER của hệ thống giả định có thể tính được một cách giải tích hay tựa giải tích (do có viện đến mô phỏng máy tính nhằm xác định độ lệch quân phương σ2) theo thủ tục được đề xuất trong mục tiếp theo.

Đoàn Thanh Hải và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 15 - 20

19

Thủ tục đánh giá giới hạn trên của BER Căn cứ vào các phân tích trong mục trước, chúng tôi đề xuất một thủ tục 5 bước nhằm đánh giá một giới hạn trên của BER đối với các hệ thống M-QAM có tính đến đầy đủ các tác động chính như méo tuyến tính, méo phi tuyến, sai lệch đồng hồ và sai lệch pha sóng mang như sau:

1. Xác định phương sai σ22 của ISI gây bởi chỉ

riêng méo tuyến tính bằng mô phỏng máy tính;

2. Xác định phương sai σ12 của ISI gây bởi

chỉ riêng sai lệch đồng hồ;

3. a. Đối với M ≥ 16, xác định tổng của σ12,

σ22 và N0 (mật độ phổ công suất một phía của

tạp âm trắng chuẩn cộng tính – tạp âm nhiệt từ máy thu) để nhận được phương sai của một tạp âm Gauss mới;

b. Đối với M = 4, xác định tổng của σ12 và N0

để nhận được phương sai của một tạp âm Gauss mới;

4. Xác định bằng hình học các lượng dịch chuyển tổng cộng tín hiệu gây ra bởi cả các đặc tính AM/AM và AM/PM của bộ KĐCS (được cho bởi các nhà sản xuất) lẫn lượng quay pha ϕ0;

5. a. Đối với M ≥ 16, tính một cách giải tích BER đối với các điểm tín hiệu đã bị dịch chuyển và tạp âm đã nhận được trong bước 3.a;

6. b. Đối với M = 4, tính một cách giải tích BER đối với các điểm tín hiệu đã bị dịch chuyển và xếp chồng của tạp âm mới nhận được trong bước 3.b và ISI phân bố đều với phương sai nhận được trong bước 1.

Kết quả tính toán bằng số

0 5 10 15 20 25

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

Eb/N

0 [dB]

BE

R

64-QAM Performance Under Nonlinear Distortion

Upper Bound Analytically CalculatedUnreal System, ASTRAS SimulatedReal System, ASTRAS Simulated

Hình 4. Kết quả mô phỏng và giới hạn trên của

BER tính bằng thủ tục đã đề xuất

Như một thí dụ, bằng cách sử dụng phần mềm ASTRAS và tính toán một cách giải tích áp dụng thủ tục trên đây, các kết quả mô phỏng và giới hạn trên của BER đối với một hệ thống vô tuyến số 64-QAM được thể hiện trên hình 4, trong đó sai lệch đồng hồ là 1.3%, sai pha sóng mang là 1o, bộ KĐCS được cho trong [18] với BOP = 6.5 dB, méo tuyến tính được tạo ra một cách cố ý bằng cách cho hệ số uốn lọc của các bộ lọc phát và thu khác nhau: αTX = 0.35 và αRX = 0.25.

Kết luận Mô hình giả định và thủ tục tính toán một cách giải tích đường bao trên của BER trong hệ thống M-QAM thực tế đã được chúng tôi kiểm nghiệm và là một kết quả tính toán đơn giản và nhanh, có khả năng sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của nhiều yếu tố tác động đồng thời lên hệ thống M-QAM đơn và đa sóng mang.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1]. Nguyễn Quốc Bình, Nguyễn Thị Hằng Nga (2004), “Đánh giá tác động đồng thời của méo tuyến tính và sai lệch đồng hồ trong các hệ thống vi ba số M-QAM”, Chuyên san Các công trình nghiên cứu-triển khai viễn thông và công nghệ thông tin - Tạp chí Bưu chính viễn thông, số 11, 3-2004. [2]. Trần Việt Tuấn, “Biểu diễn các bộ khuếch đại công suất trong mô phỏng các hệ thống vô tuyến tiếp sức M-QAM”, Hội nghị toàn quốc lần thứ ba về tự động hoá (3rd VICA), Hà nội, 9-11/4/1998. [3]. Nguyễn Quốc Bình, Nguyễn Thành Biên (2009), “Hàm mật độ xác suất của nhiễu giữa các ký hiệu gây bởi sai lệch đồng hồ trong các hệ thống M-QAM”, Tạp chí Nghiên cứu khoa học và công nghệ quân sự, Viện khoa học và công nghệ quân sự, số 27, 4-2009. [4]. Nguyễn Quốc Bình, Nguyễn Thành Biên, Đinh Triều Dương, Nguyễn Thành Hiếu (2003), “Số symbol dùng trong mô phỏng tựa giải tích các hệ thống truyền dẫn số”, Tạp chí Khoa học và kỹ thuật, Học viện kỹ thuật quân sự, số 104, 2003. [5]. Pupolin S., Greenstain L.J. (1987), “Performance Analysis of Digital Radio Links with Nonlinear Transmit Amplifier”, IEEE, Journal on SAC, Vol. SAC-5, No.3, Mar. 1987. Amadesi P., Mura P. G., Pattial F. (1983), “Including a Nonlinear Amplifier and a Predistoter in a Bandlimited 16-QAM Systems”. IEEE,ICC’83.

Đoàn Thanh Hải và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 15 - 20

20

SUMMARY BUILDING A MODEL OF M-QAM TRANSMISSION SYSTEM TO CALCULATE ANALYTICAL OF BER IN M-QAM RADIO SYSTE MS

Doan Thanh Hai1∗, Doan Thi Thanh Thao2

1College of Technology – TNU, 2College of Information and Communication Technology-TNU

In the analysis, design and evaluation of M-QAM systems with nonlinear power amplifier, the estimation of BER is a very complicated and the calculation of analystical BER for such systems is usually not practical. To estimation of the separated effect of nonlinear power amplifier, nonlinear parameter of them as BO (Back-Off) have bên studied. However, the authors examined (by compurter simulation) and the results showed that the assumptions used the quality of systems were not antirely accurate. This paper proposes a hypothesis model of M-QAM transmission system to be able to calculate analytical, simply and fast the upper bound of BER of the actual system. In addition, a procedure to calculate the upper bound of BER (bit-erorr ratio) for this case is also presented. Results are some empirical formulas, mainly by compurter simulation, to determine Signal-to-Noise Ratio Degradation SNRD caused by nonlear distortion of power amplifier. However, this model has got a poor quality than real systems and thus its quanlity can be used as an upper bound of real systems quality. Key words: hypothesis model, procedure to calculate, upper bound of BER, M-QAM systems.

∗ Tel: 0984 063567, Email: haidt1979@yahoo.com

Nguyễn Mai Hương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 21 - 25

21

SỬ DỤNG LFT TRONG THI ẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH BỀN VỮNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHI ỂN MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ

Nguyễn Mai Hương1*, Nguyễn Tiến Hưng2

1 Trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp - ĐHTN 2 Delft center for systems and control, Delft University of technology, The Netherlands

TÓM TẮT

Bài báo này trình bày về biểu diễn LFT (Linear Fractional Transformation) của mô hình máy phát điện không đồng bộ nguồn kép có các ma trận hệ thống phụ phụ thuộc hữu tỷ theo các tham số biến thiên chậm theo thời gian. Trên cơ sở phép biến đổi này có thể thực hiện việc thiết kế và phân tích ổn định bền vững của hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió sử dụng phương pháp phân tích giá trị suy biến cấu trúc hay phép phân tích các ràng buộc toàn phương tích hợp. Từ khóa: Máy phát không đồng bộ nguồn kép, phương pháp LFT, tham số biến thiên, điều khiển bền vững, phân tích ổn định bền vững.

∗ MỞ ĐẦU

Các hệ thống máy phát điện sức gió hiện nay thường sử dụng các máy phát không đồng bộ nguồn kép (MFNK) có nhược điểm là đặc tính làm việc rất nhạy đối với các thay đổi của điện áp lưới. Bên cạnh đó, các tham số của MFNK như các điện trở, điện cảm tản của stator và rotor và hỗ cảm thường bị biến đổi theo thời gian do phụ thuộc vào đặc tính nhiệt hoặc do bão hòa mạch từ của máy điện [5]. Trong thiết kế các bộ điều khiển hoặc phân tích ổn định bền vững có thể coi các tham số này là các thành phần bất định biến thiên chậm. Ngoài ra, tốc độ góc cơ học của MFNK cũng có thể được coi là một tham số biến thiên theo thời gian.

Trong thiết kế các bộ điều khiển thông thường thì sự thay đổi của các tham số này thường được bỏ qua. Trong một số trường hợp, khi bộ điều khiển được tính toán trực tuyến (online) trong một hệ thống điều khiển số, thì tốc độ góc cơ học của MFNK được coi là hằng trong phạm vi một chu kỳ trích mẫu. Với những giả thiết đó thì mô hình của MFNK hoàn toàn có thể được coi như một hệ thống tuyến tính bất biến. Sau đó, tính bền vững của hệ thống kín có thể được kiểm chứng qua các kết quả mô phỏng với một số các giá trị khác nhau của các tham số máy điện. Tuy nhiên, các kết quả mô phỏng này không phải là điều kiện đủ để chắc

∗ Tel:

chắn về tính bền vững của cả hệ thống trong toàn dải biến thiên của các tham số.

Trong bài báo này chúng tôi giới thiệu một ứng dụng của phương pháp LFT được trình bày trong [1] cho mô hình máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (MFNK) phụ thuộc hữu tỷ theo các tham số biến thiên chậm theo thời gian và được gọi là các tham số bất định. Trên cơ sở biểu diễn LFT của đối tượng ta có thể dễ dàng thiết kế các bộ điều khiển bền vững trong không gian hoặc phân tích ổn định bền vững của hệ thống điều khiển. Trong đó, phép phân tích giá trị suy biến cấu trúc (structured singular value - SSV) có thể được sử dụng để phân tích ổn định chống lại các bất định tuyến tính không biến thiên theo thời gian. Đối với các bất định tham số tuyến tính biến thiên theo thời gian thì phép phân tích ổn định có thể được thực hiện dựa trên việc sử dụng các hàm Lyapunov phụ thuộc tham số nếu hệ thống phụ thuộc affine theo tham số. Một cách phân tích ổn định bền vững khác, được coi như là một mở rộng của phương pháp nhân tử kinh điển, là sử dụng phương pháp phân tích các ràng buộc toàn phương tích hợp (Integral Quadratic Constraints - IQC). Phương pháp này cho phép phân tích ổn định bền vững cho các bất định tham số biến đổi theo thời gian với tốc độ biến đổi bị chặn và cả các bất định động học. Chi tiết về việc phân tích ổn định bền vững với IQC và một số kết quả cụ thể được trình bày trong [9].

Nguyễn Mai Hương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 21 - 25

22

Biễu diễn LFT của các hàm hữu tỷ Giả sử là một ma trận hàm phụ thuộc vào một vector tham số

ánh xạ một vector vào vector (hình 1). Một ma trận

phụ thuộc tuyến tính theo và ma trận

hằng sao cho có được

nghịch đảo với mọi . Khi đó cặp được gọi là biểu diễn LFT của nếu tồn tại các vector và sao cho [1]

(1)

η ξ

( )G δ

Pη ξ

( )δ∆w z

Hình 1. Biểu diễn LFT

Trong thiết kế các bộ điều khiển bền vững và/hoặc phân tích ổn định bền vững cho hệ thống điều khiển thì thường biểu diễn các thành phần bất định. Các thành phần bất định này có thể là các tham số bất biến theo thời gian (time-invariant parameters), các tham số biến đổi theo thời gian (time-varying parameters), hay các thành phần động học (dynamics). Khi các ma trận không gian trạng thái của hệ thống không phụ thuộc affine nhưng hữu tỷ (rationally) vào các thành phần không chắc chắn thì việc xác định dạng LFT sẽ gặp khó khăn hơn so với trường hợp affine.

Thiết kế bộ điều khiển bền vững Cấu hình cơ bản của một hệ thống điều khiển được biểu diễn trên hình 2, trong đó w biểu diễn nhiễu tổng quát, z là biến được điều khiển, u là đầu vào điều khiển và y là đầu ra

đo được,P là một hệ thống tuyến tính bất biến được mô tả bởi

.

p

p

p

x Ax B w Bu

z C x D w Eu

y Cx Fw

= + +

= + +

= +

Mục tiêu của việc thiết kế điều khiển bền vững là tìm một bộ điều khiển ổn định K làm cực tiểu hóa chuẩn H∞ của hệ thống kín

( , )l P K∞

F ,

trong đó ( , )l P KF là biểu diễn LFT của P

và K .

u y

w zP

K

Hình 2. Mô hình chuẩn cho thiết một hệ thống

điều khiển

Phân tích ổn định bền vững Xét một mô hình chuẩn cho phân tích ổn định bền vững của một hệ cho trên hình 3. Trong đó là một toán tử bất biến tuyến tính, là một toán tử nhân quả biến thiên theo thời gian. Trong đó, biểu thị tập các toán tử nhân quả tuyến tính ánh xạ từ không gian vào không gian . Với một tập bất định

ta nói rằng là ổn định bền vững chống lại nếu liên kết phản hồi của

và trên hình 2 là xác định (well-posed) và ổn định với mọi .

++

++M

∆α v

e w

Hình 3. Mô hình chuẩn cho phân tích ổn định bền vững

Nếu là một hệ tuyến tính bất biến bị chặn thì tính ổn định bền vững được

đảm bảo nếu . Hơn nữa ta có thể sử dụng các ma trận tỷ lệ (scaling matrix hay scaling) phụ thuộc tần số để có được các đánh giá tốt hơn về tính ổn định bền vững của hệ. Trong trường hợp là thành phần bất định biến đổi theo thời gian nhưng bị chặn theo chuẩn thì các scaling phải không phụ

Nguyễn Mai Hương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 21 - 25

23

thuộc tần số [2, 3]. Tuy nhiên, việc sử dụng các scaling tĩnh như vậy sẽ có những hạn chế nhất định trong việc đánh giá ổn định bền vững nếu là thành phần bất định tham số có cấu trúc và có tốc độ biến thiên bị chặn.

Như vậy, để có thể thiết kế hoặc phân tích ổn định bền vững của một hệ điều khiển sử dụng MFNK dựa trên SSV hay IQC thì phải có được biểu diễn LFT của đối tượng điều khiển. Phần tiếp theo sẽ trình bày cách xây dựng biểu diễn LFT cho MFNK với các thành phần bất định là điện cảm tản của stator , điện cảm tản rotor và hỗ cảm .

BIỂU DIỄN LFT CỦA MÔ HÌNH MFNK

Mô hình MFNK Trong bài báo này, máy điện không đồng bộ nguồn kép được mô tả bởi một mô hình không gian trạng thái trên hệ tọa độ quay với trục trùng với vector điện áp lưới [4]:

(2)

(3)

Trong đó:

(4)

(5)

lần lượt là các thành phần điện áp và dòng điện của stator và rotor; , là các thành phần từ thông stator; và lần lượt là các điện cảm tản và hỗ cảm của stator và rotor;

là các điện trở stator và rotor;

là hệ số từ tản;

là vận tốc góc (cơ) của rotor; là vận tốc góc (điện) của stator và rotor;

; ;

; .

Biểu diễn LFT của mô hình MFNK Biểu diễn LFT sẽ được áp dụng cho mô hình (2) và (3) với ma trận bất định và một ma trận hằng (hình 4). Trong đó ma trận được mô tả bởi:

(6)

trong đó , , và là cỡ của các khối bất định tương ứng với các điện cảm tản ,

, và hỗ cảm . Kích cỡ của ma trận bất định sẽ khác nhau tùy theo việc các tham số nào được chọn để khảo sát. Trong bài báo này, để cho đơn giản các tác giả chỉ trình bày việc biểu diễn LFT cho mô hình MFNK cho trường hợp điện cảm tản rotor được coi như một tham số bất định. Các trường hợp còn lại cũng tương tự (nhưng phức tạp hơn) được tóm tắt trong bảng 1.

rz

rPsu

ru ri

r∆rw

Hình 4. Biểu diễn LFT của MFNK với các bất định tham số

Các ma trận và trong (4) và (5) có thể được viết lại như sau

Phương trình (2) bây giờ trở thành

(7)

Trong đó:

Nguyễn Mai Hương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 21 - 25

24

Đặt ta có

Phương trình (7) trở thành:

Do đó:

Với ;

.

Cuối cùng ta được dạng LFT của mô hình MFNK biểu diễn như (8).

(8)

Trong đó:

;

; ; ;

; ;

; ;

; ;

.

Bảng 1. Các bất định và ma trận bất định

Các bất định Kích thước của ma trận

bất định

, , và

Trên cơ sở biểu diễn LFT của MFNK như trên hình 4 và làm kín mạch với một bộ điều khiển như được minh họa trên hình 5a ta có thể dễ dàng xây dựng một cấu hình chuẩn như hình 3. Sau đó sử dụng phép phân tích SSV hay IQC [6] để kiểm tra tính ổn định bền vững của hệ thống điều khiển đó.

++

¡¡

¢ r¢ r

ri

rP

Kre ru

su

*ri

rw rz

(a)

0 200 400 600 800 10000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7Robust stability

Frequency (rad/s)

µ

µ - upper bound

µ - lower bound

(b)

Hình 5. Hệ thống điều khiển kín (a) và phân tích SSV (b)

Nguyễn Mai Hương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 21 - 25

25

VÍ DỤ PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH BỀN VỮNG THEO PHƯƠNG PHÁP SSV

Có thể sử dụng công cụ SSV của phần mềm Matlab [6] để phân tích tính ổn định bền vững chống lại các bất định bất biến theo thời gian [7]. Hình 4b minh họa các đường cong cận dưới và cận trên của hệ thống điều khiển MFNK với là một bộ điều khiển biến đổi tham số tuyến tính [8] với thành phần bất định 10% đối với điện cảm tản stator, 10% đối với điện cảm tản rotor và 10% đối với điện cảm tản trong dải tần số [0, 1000]rad/s. Giá trị cực đại của SSV là 0.61973. Điều này có nghĩa là hệ thống điều khiển vẫn duy trì ổn định khi các các giá trị điện cảm biến đổi trong dải giá trị đã cho ở trên.

KẾT LUẬN

Phương pháp LFT có thể được áp dụng cho mô hình máy điện không đồng bộ nguồn kép có các ma trận hệ thống phụ thuộc hữu tỷ theo các tham số bất định. Nếu sự phụ thuộc của các ma trận hệ thống vào các tham số bất định là không affine thì ma trận bất định có thể có kích thước lớn. Khi đó có thể sử dụng phương pháp giảm bậc mô hình để có được một ma trận bất định có kích thước nhỏ hơn và làm giảm thời gian tính toán của máy tính khi thực hiện các phép phân tích ổn định bền vững của hệ.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO [1]. C. W. Scherer and S. Weiland, (2005). Linear Matrix Inequalities in Control. Lecture notes in DISC course. [2]. A. Helmersson, (1995). Methods for robust gain scheduling. PhD thesis, Linkoping University. [3]. J. S. Shamma (1994). Robust stability with time-varying structured uncertainty. IEEE transaction on Automatic control, 39:714_724. [4]. S. Peresada, A. Tilli, and A. Tonielli (2004), Power control of a doubly fed induction machine via output feedback. Control Engineering Practice, 12:41 _ 57. [5]. R. Ottersten, (2004) On Control of Back-to-Back Converters and Sensorless Induction Machine Drives. PhD thesis, Chalmers University of Technology. [6]. A. Packard M. Safonov G. Balas, R. Chiang, (2004) Robust control toolbox for use with Matlab, volume 3. The MathWorks. [7]. E. Laroche, Y. Bonnassieux, H. Abou-Kandil, and J. P. Louis, (June 2004) Controller design and robustness analysis for induction machine-based positioning system. Control Engineering Practice, 12:757_767. [8]. H. Nguyen Tien, C. W. Scherer, and J. M. A. Scherpen. Self-scheduled LPV controller synthesis for doubly-fed induction generators. WINDPOWER 2007 Conference and Exhibition, Los Angeles, USA, 2007. CDROM. [9]. H.Nguyen Tien, C. W. Scherer, and J. M. A. Scherpen, (2004) IQC-based robust stability analysis for LPV control of doubly-fed induction generators. 10th International Conference on Control, Automation, Robotics and Vision, Hanoi, Vietnam.

SUMMARY USING OF LINEAR FRACTIONAL TRANSFORMATION FOR DESIG N AND ROBUSTNESS ANALYSIS OF A WIND GENERATOR CONTROL SYSTEM

Nguyen Mai Huong1∗, Nguyen Tien Hung2

1 Graduated faculty – Thainguyen University of Technology 2 Delft center for systems and control, Delft University of technology, The Netherlands

This paper presents the Linear Fractional Transformation (LFT) for the model of Doubly-Fed Induction Machines whose system matrices depend rationally on slowly time-varying parameters. Based on the LFT framework, a robust controller design and analysis can be carried out for a wind generator system by employing the Structured Singular Value (SSV) or the Integral Quadratic Constraints (IQC) approaches. Từ khóa: Doubly-fed induction generator, linear fractional transformation, parameter variations, robust control, robustness analysis.

∗ Tel:

Nguyễn Mai Hương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 21 - 25

26

Đoàn Thị Thanh Thảo và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 27 - 32

27

KHẢ NĂNG SỬ DỤNG ĐỘ THIỆT HẠI KHO ẢNG CÁCH DD ĐỂ ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA MÉO PHI TUY ẾN GÂY BỞI BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT PHÁT TRONG CÁC HỆ THỐNG 256-QAM

Đoàn Thị Thanh Thảo1*, Đoàn Thanh Hải2, Đỗ Huy Khôi 1

1Trường ĐH CNTT&TT - ĐHTN, 2Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp - ĐHTN

TÓM TẮT Bài báo giới thiệu cách xác định tham số độ thiệt hại khoảng cách dd (distance degradation) để đánh giá độ phi tuyến của các bộ khuếch đại công suất và khảo sát sự phụ thuộc của lượng thiệt hại tỷ số tín trên tạp SNRD (Signal-to-Noise Ratio Degradation) vào thông số dd trong hệ thống điều chế 256-MQAM đơn sóng mang. Đồng thời bài báo cũng gợi mở ra một hướng nghiên cứu mới cho việc tính toán một cách giải tích xác suất lỗi bit, nhằm đánh giá tác động của méo phi tuyến được gây ra bởi các bộ khuếch đại công suất trong hệ thống điều chế đa sóng mang. Từ khóa: MQAM, méo phi tuyến, độ thiệt hại khoảng cách, lượng thiệt hại tỉ số tín trên tạp.

∗ GIỚI THIỆU CHUNG

Các tác động của méo phi tuyến gây bởi các bộ khuếch đại công suất phát

Các tác động của méo phi tuyến gây ra bởi bộ KĐCS trong các hệ thống vô tuyến số M-QAM gồm: Trải rộng phổ và gây tạp âm phi tuyến, tác động dịch chuyển vị trí các tín hiệu trên mặt phẳng pha, tác động gây ISI phi tuyến

Cách đánh giá tác động của méo phi tuyến gây bởi bộ khuếch đại công suất phát

Méo phi tuyến gây bởi KĐCS trong các hệ thống M-QAM có thể làm giảm một cách nghiêm trọng chất lượng có thể đạt tới được của hệ thống. Các nghiên cứu chi tiết trong [5], [7] cho thấy rằng các méo AM/AM và AM/PM tác động tới chất lượng hệ thống theo lối tăng cường lẫn nhau (synergistic), tức là suy giảm chất lượng hệ thống khi tính tới cả méo AM/AM lẫn AM/PM thì lớn hơn tổng suy giảm chất lượng của hệ thống khi tính tới hoặc chỉ méo AM/AM hoặc chỉ méo AM/PM. Tác động tới chất lượng hệ thống của méo phi tuyến được đánh giá qua thiệt hại tỷ số tín/tạp (SNRD − Signal-to-Noise Ratio Degradation) tính tại một giá trị nào đó của xác suất lỗi bít của hệ thống. Tính tăng cường tác động nói trên có thể diễn đạt bởi:

SNRD(AM/AM và AM/PM) > SNRDAM/AM + SNRDAM/PM

(1)

∗ Tel: 0984 984199, Email: thaonguyen@yahoo.com

Đánh giá ảnh hưởng của méo phi tuyến gây bởi KĐCS tới chất lượng hệ thống trong các hệ thống vô tuyến số M-QAM là một vấn đề nan giải. Do tính chất phức tạp của hệ thống, việc tính toán một cách giải tích là một nhiệm vụ không thể thực hiện được và nói chung, mô phỏng máy tính thường được xem là giải pháp hiệu quả nhất trong việc khảo sát các hệ thống có các phần tử phi tuyến.

Trong công trình của Amadesi [8], bên cạnh việc đề xuất sử dụng BO (Back-Off) như một thông số méo phi tuyến, Amadesi P. và các cộng sự đã tiến hành mô phỏng hệ thống 16-QAM với một số bộ khuếch đại TWT và đã tìm được công thức gần đúng kinh nghiệm để tính toán SNRD tại BER = 5.10-4:

α−= − BOKeASNRD .. [dB] (2)

trong đó:

A = 3,25.sin(2πS/9,5 + 5π/36) + 5,75 [dB];

K = 2,024 − 0,05ln(1+e5,416(S-2,6)) [dB-1];

α = 1,1 [dB];

BO [dB] là độ lùi công suất lối ra (Back-Off) và S [dB] là độ chênh lệch giữa công suất ra trong điều kiện hoàn toàn tuyến tính và công suất bão hoà của bộ KĐCS (với cùng công suất lối vào ứng với giá trị công suất ra bão hoà).

Mặc dầu công thức đã tìm được tỏ ra tương đối khớp với kiểm tra thực tế (sai số của việc làm gần đúng SNRD nhỏ hơn 0,25 dB), công trình này tỏ ra ít hiệu quả do công thức thiết lập được chỉ là với SNRD tính tại một giá trị

Đoàn Thị Thanh Thảo và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 27 - 32

28

khá lớn của BER là 5.10-4, trong khi thực tế tính toán thiết kế đòi hỏi phải có khả năng tính SNRD tại BER tới tận các giá trị 10-6, thậm chí tới 10-9 hoặc nhỏ hơn. Hơn thế nữa, giả thiết méo AM/PM là 30/dB được sử dụng trong mô phỏng máy tính của Amadesi chỉ gần đúng với các TWT và hoàn toàn không phù hợp với các SSPA. Cuối cùng, sơ đồ điều chế thích hợp với công thức tìm được chỉ là 16-QAM và không có khả năng mở rộng công thức cho các hệ thống 64-QAM hay 256-QAM.

Trong [11], S. Pupolin và L. J. Greenstein đã giả thiết một cách võ đoán rằng các cụm điểm xuất hiện trên chòm sao tín hiệu thu dưới tác động của méo phi tuyến gây bởi KĐCS (thể hiện ISI phi tuyến) có phân bố chuẩn. Dựa trên giả thiết này và sử dụng khai triển chuỗi Volterra, S. Pupolin và L. J. Greenstein đã thiết lập các công thức xác định các tham số thống kê của tín hiệu thu, trên cơ sở đó có thể tính toán một cách giải tích xác suất lỗi bit của hệ thống. Giải pháp này, như đã thấy, thuộc vào lớp giải pháp tựa giải tích (do dựa trên giả thiết về phân bố của ISI) và kết quả tính toán chỉ là kết quả gần đúng. Điều này giải thích cho việc kết quả tính toán của S. Pupolin và L. J. Greenstein đã trình bày trong [11] chỉ sát với kết quả mô phỏng Monte-Carlo ở những giá trị khá lớn của BER. Một hạn chế nữa của phương pháp đã được đề xuất bởi S. Pupolin và L. J. Greenstein là khai triển chuỗi Volterra chỉ có thể tính bằng phương pháp số đối với các méo phi tuyến tới bậc ba mà thôi, việc tính toán đối với các méo phi tuyến tới bậc 5 hay hơn nữa sẽ đòi hỏi bộ nhớ máy tính quá lớn đến mức không thực tế trong điều kiện công nghệ như hiện nay. Trong khi đó, với việc áp dụng các phương pháp tuyến tính hoá bộ KĐCS thì méo bậc 3 thường giảm nhỏ tới mức các thành phần méo bậc 5 hay hơn nữa không thể bỏ qua được.

Các nghiên cứu chi tiết hơn nữa [2, 10] đã chỉ ra rằng hàm mật độ xác suất pdf (probability density function) của ISI phi tuyến không phải chuẩn một cách tự nhiên. Pdf của ISI phi tuyến vẫn có thể làm gần đúng bằng một phân bố chuẩn, tuy nhiên với kỳ vọng và phương

sai khác với kỳ vọng và phương sai thực sự của ISI xác định bằng định nghĩa. Điều này cũng góp phần lý giải sự sai khác tương đối lớn giữa kết quả tính toán được của S. Pupolin và L. J. Greenstein và kết quả mô phỏng Monte-Carlo tại những giá trị thấp của BER. Các nghiên cứu hiện vẫn đang được tiến hành nhằm tìm cách xác định các tham số thống kê này (kỳ vọng và phương sai) một cách trực tiếp từ các tham số phi tuyến của bộ khuếch đại, hoặc nhằm tìm kiếm một phân bố xác suất mới cho ISI phi tuyến trong các hệ thống M-QAM với bộ KĐCS phi tuyến.

Trong khi còn chưa xác định được cách tính xác suất lỗi bít của hệ thống một cách giải tích với một độ méo phi tuyến nào đó, thì ảnh hưởng của méo phi tuyến gây bởi bộ khuếch đại công suất vẫn có thể tính một cách gần đúng theo các công thức thực nghiệm đã được tìm ra trong [9, 10]. Tác động của méo phi tuyến có thể đánh giá qua SNRD gây bởi méo phi tuyến, xác định tại một số giá trị thường quan tâm của BER (10-3, 10-6, 10-8). Theo [9,10], các công thức đối với hệ thống 16- và 64-QAM có dạng sau:

SNRD ≈ a.dd2 + b.dd [dB] (3)

trong đó a, b là các hằng số đã tìm ra qua mô phỏng hệ thống với một loạt bộ KĐCS thực tế và được cho trong các bảng 1 và 2, dd là tham số thiệt hại khoảng cách gây bởi méo phi tuyến của bộ KĐCS [6] sẽ được giải thích chi tiết trong mục 2.

Sai số của SNRD tính theo (3) là khá nhỏ, sai số trong mọi trường hợp đã kiểm tra đều nhỏ hơn 0.2 dB tại mức BER = 10-6 và tại mức BER = 10-3 (tương đương với mức BER mà Amadesi P. đã sử dụng) sai số này còn nhỏ hơn nữa, dưới 0.1 dB. Bảng 1. Các giá trị của a và b tại các giá trị khác

nhau của BER với 64-QAM [6]

Mức BER a b

10-3 25.3 0.47

10-6 45 2

10-8 55 2.46

Đoàn Thị Thanh Thảo và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 27 - 32

29

Bảng 2. Các giá trị của a và b tại các giá trị khác nhau của BER với 16-QAM [5]

Mức BER a b

10-3 0.3 5.5

10-6 0.6 10.2

10-8 1.325 10.875

ĐỘ THIỆT HẠI KHOẢNG CÁCH DD

Trong trường hợp chỉ đánh giá riêng tác động của méo phi tuyến gây bởi bộ KĐCS máy phát (chất lượng tỷ lệ lỗi bít khi đó có thể sử dụng như là một đường bao dưới – lower bound – của chất lượng hệ thống thực, nhất là khi méo phi tuyến trội hơn), các bộ phận khác của hệ thống xem như được thiết kế hoàn hảo, do vậy mọi tác động khác xem như không có: a) Đồng bộ sóng mang và đồng bộ đồng hồ hoàn hảo; b) Các mạch lọc phát và thu có đáp ứng tổng cộng thỏa mãn tiêu chuẩn Nyquist thứ nhất (bộ lọc phát là bộ lọc căn bậc hai cosine nâng nối tiếp sau một mạch sửa dạng xung x/sinx nhằm biến tín hiệu NRZ ở lối ra bộ điều chế thành các xung Dirac có biên độ được điều chế, mạch lọc thu là một bộ lọc căn bậc hai cosine nâng), môi trường truyền được giả thiết là lý tưởng, nghĩa là có hàm truyền bằng 1 với mọi tần số và do vậy không gây ra ISI tuyến tính; c) Hệ thống không bị nhiễu. Tác động gây trở ngại việc truyền dẫn tín hiệu chỉ còn lại: a) Méo phi tuyến gây bởi bộ KĐCS máy phát; b) Tạp âm nhiệt của máy thu quy ra đầu vào máy thu và được mô hình hóa bởi một nguồn tạp âm cộng trắng chuẩn (AWGN – Additive White Gaussian Noise). Sơ đồ khối của một hệ thống như vậy được trình bày trên hình vẽ 1.

Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống M-QAM chỉ tính đến

tác động méo phi tuyến

Như đã trình bày trong mục 1, việc đánh giá chỉ riêng ảnh hưởng của méo phi tuyến gây

bởi bộ khuếch đại công suất máy phát đối với các hệ thống vô tuyến số sử dụng điều chế M-QAM cũng đã rất nan giải. Trong [7], tác giả đã đề xuất một thông số về độ phi tuyến của các bộ KĐCS máy phát (bất luận bộ KĐCS là TWT hay SSPA) trong các hệ thống M-QAM. Thông số này được gọi là độ thiệt hại khoảng cách dd (distance degradation), là lượng thiệt hại tính trung bình trên toàn tập tín hiệu của khoảng cách từ điểm tín hiệu tới biên quyết định gần nhất gây bởi tác động dịch chuyển các điểm tín hiệu trên biểu đồ chòm sao. Với một bộ KĐCS và với một độ lùi công suất đỉnh BOP (Peak Back-Off) đã cho, dd có thể xác định dễ dàng được như sau:

+ Từ các đặc tuyến ∆G(Pout) và ∆Φ(Pout) của bộ khuếch đại cho bởi các nhà sản xuất và từ giá trị độ lùi công suất đỉnh BOP, xác định các giá trị ∆Gi,j và ∆Φi,j đối với từng vị trí tín hiệu [i,j] trên chòm sao tín hiệu (i, j = 1, 2,...,

2/M ). Nhờ vậy xác định được chòm sao bị méo gồm các điểm tín hiệu mới, bị dịch khỏi vị trí tiêu chuẩn do tác động của ∆Gi,j và ∆Φi,j. Cần lưu ý ở đây rằng: a) Do tính đối xứng của chòm sao tín hiệu M-QAM, chỉ một góc phần tư cần tính đến; b) Công suất của tín hiệu QAM có công suất lớn nhất, tức là công suất đỉnh của tín hiệu QAM, được xác định theo

2/,2/ MMP = Ppeak = PS − BOP trong đó

PS là công suất bão hoà của bộ KĐCS, xác định được tại điểm gục của đặc tuyến AM/AM. T ừ đây có thể xác định dễ dàng công suất tương ứng của các tín hiệu Pi,j còn lại;

+ Đối với từng tín hiệu [i,j] trên chòm sao tín hiệu bị méo, xác định bằng hình học khoảng cách nhỏ nhất di,j từ điểm tín hiệu tới biên quyết định gần nhất. Thiệt hại khoảng cách đối với tín hiệu [i,j] là ddi,j = 1− di,j;

+ Tham số thiệt hại khoảng cách của bộ khuếch đại là giá trị trung bình của thiệt hại khoảng cách tính trên toàn tập tín hiệu, tức là:

ddM

ddi ji j

M

==∑

4

1

2

,,

/

(4)

Việc sử dụng tham số dd cho phép so sánh các bộ khuếch đại khác nhau thuộc các chủng loại khác nhau, bất luận là các bộ khuếch đại đó có hay không có méo trước. Sử dụng tham

Đoàn Thị Thanh Thảo và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 27 - 32

30

số này, theo các công thức gần đúng xác định theo lối kinh nghiệm thông qua mô phỏng nhiều bộ khuếch đại khác nhau, với nhiều giá trị BO khác nhau, người ta có thể tính trực tiếp ảnh hưởng của méo phi tuyến gây bởi bộ khuếch đại công suất tới chất lượng hệ thống. Một điều quan trọng nữa là với cách xác định dd như đã nêu, tham số đó có thể mở rộng và sử dụng được cho các giá trị M khác nhau.

SỬ DỤNG ĐỘ THIỆT HẠI KHOẢNG CÁCH DD ĐỂ ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA MÉO PHI TUYẾN GÂY BỞI BỘ KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT PHÁT TRONG CÁC HỆ THỐNG 256-QAM

Sử dụng thông số dd, chúng tôi đã tiến hành mô phỏng bằng phần mềm ASTRAS với 3 bộ KĐCS khác nhau được chọn một cách không có chủ ý, với mô phỏng tựa giải tích để đạt được kết quả chính xác mà thời gian mô phỏng chấp nhận được [1, 3, 4]. Các kết quả mô phỏng được trình bày trên các hình vẽ 2 và 3.

Từ các kết quả mô phỏng nhận được trên các hình vẽ 2 và 3, chúng ta có thể có các nhận xét sau:

1. Khác với các hệ thống 16- và 64-QAM, trong đó SNRD theo dd bám khá chặt theo một đường cong duy nhất trong hệ thống 256-QAM với các bộ KĐCS khác nhau, các đường cong SNRD theo dd không như nhau. Đó có thể do đặc tính của bộ KĐCS đã không được làm gần đúng theo mô hình 4 tham số của Saleh một cách cẩn thận, dẫn đến sự sai khác quá lớn, cái mà với các giá trị nhỏ hơn của M (16 hay 64) bộc lộ ít hơn. Vấn đề này sẽ còn cần phải kiểm chứng lại với số lượng lớn hơn các bộ KĐCS thực tế.

Hình 2. SNRD tại BER = 10-3 theo dd

Hình 3. SNRD tại BER = 10-6 theo dd

2. Mặc dầu vậy, có thể thấy rất rõ rằng SNRD với mọi bộ KĐCS đã kiểm tra đều có thể làm gần đúng rất tốt bằng một đa thức bậc hai không có số hạng bậc 0 theo dd.

SỰ PHỤ THUỘC CỦA SNRD GÂY BỞI KĐCS PHÁT VÀO HỆ SỐ UỐN LỌC

Một vấn đề cần nói rõ thêm ở đây là từ hình 1 ta có thể thấy rằng tín hiệu đầu vào bộ KĐCS phát là một tổng các đáp ứng xung của mạch lọc phát gây bởi chuỗi symbol đầu ra bộ điều chế, chứ không thuần túy là tín hiệu NRZ như đã giả định trong cách tính dd. Như vậy, tham số dd chỉ là một tham số danh định (nominal parameter) mà thôi. Tác động của méo phi tuyến gây bởi bộ KĐCS lại phụ thuộc vào mức tín hiệu lối vào thực tế, tức là có lẽ phải phụ thuộc vào hệ số uốn lọc α của mạch lọc phát.

Một vấn đề khá lý thú là, mặc dù gây ra chênh lệch khác nhau giữa công suất đỉnh và công suất trung bình, mạch lọc ở phần phát với các hệ số uốn lọc khác nhau lại hầu như không ảnh hưởng gì tới SNRD gây bởi méo phi tuyến của bộ khuếch đại [9, 10]. Tức là, mặc dù trong thực tế các bộ lọc có thể được thiết kế với α thay đổi trong giải từ 0.2 tới 0.75, sự thay đổi hệ số uốn lọc như thế không ảnh hưởng gì lắm tới SNRD xác định theo biểu thức (3).

Kết quả mô phỏng máy tính nhằm kiểm tra sự phụ thuộc giữa SNRD gây bởi méo phi tuyến của bộ KĐCS phát với α trong hệ thống 256-QAM được trình bày trong bảng 3. Từ kết quả trong bảng 3 ta có thể thấy, khi α thay đổi từ đầu tới cuối dải giá trị

Đoàn Thị Thanh Thảo và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 27 - 32

31

thực tế (0,25 ÷ 0,75), SNRD thay đổi rất ít, thường không quá 0,25 dB.

Từ kết quả mô phỏng, chúng ta có thể kết luận được rằng [6]: Đối với hệ thống 256-QAM, SNRD gây bởi méo phi tuyến của bộ KĐCS phát cũng hầu như không phụ thuộc vào hệ số uốn α của bộ lọc phát. Bảng 3. Sự phụ thuộc của SNRD tính tại BER =

10-6 vào α [9]

HPA1

given in [Pupolin –

Greenstein]

BO [dB]

α = 0.25 α = 0.5 α = 0.75

7.0 25.64 25.57 25.82

7.5 25.14 25.09 25.33

8.0 24.69 24.73 24.97

HPA2

given in [Berman-Maleh]

BO [dB]

α = 0.25 α = 0.5 α = 0.75

8.5 26.46 26.22 26.53

9.0 25.71 25.62 26.22

9.5 25.18 25.17 25.44

HPA3 given in [Keye-George-Eric]

BO [dB] α = 0.25 α = 0.5 α = 0.75

8.0 28.17 27.69 27.99

8.5 27.20 26.88 27.19

9.0 26.40 26.21 26.53

KẾT LUẬN

Như vậy, cùng với các hệ thống 16, 64-QAM, dd vẫn có thể sử dụng như một thông số để đánh giá tác động của méo phi tuyến gây bởi bộ KĐCS phát phi tuyến trong hệ thống 256-QAM. Việc xác định các hệ số của đa thức mô tả quan hệ giữa SNRD và dd tại các giá trị khác nhau của BER sẽ là nhiệm vụ của nhà sản xuất các bộ KĐCS. Qua nghiên cứu này mở ra một hướng mới để phát triển việc đánh giá tác động của méo phi tuyến gây bởi bộ khuếch đại công suất trong các hệ thống đa sóng mang thông qua khả năng sử dụng thông số dd để tính toán giải tích tỷ lệ lỗi bit.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Thành Biên, Nguyễn Quốc Bình (2009), “Số symbol cần thiết trong mô phỏng tựa giải tích các hệ thống 256-QAM có bộ khuếch đại công suất phát phi tuyến”, Tạp chí Nghiên cứu khoa học và công nghệ quân sự, Viện khoa học và công nghệ quân sự, số 26, 2-2009. [2]. Nguyễn Thành Biên (2009), “Hàm mật độ xác suất của nhiễu giữa các ký hiệu gây bởi sai lệch đồng hồ trong các hệ thống M-QAM”, Tạp chí Nghiên cứu khoa học và công nghệ quân sự, Viện khoa học và công nghệ quân sự, số 27, 4-2009. [3]. Nguyễn Quốc Bình, Nguyễn Thành Biên, Đinh Triều Dương, Nguyễn Thành Hiếu (2003), “Số symbol dùng trong mô phỏng tựa giải tích các hệ thống tryuền dẫn số”, Tạp chí Khoa học và kỹ thuật, Học viện kỹ thuật quân sự, số 104, 2003. [4]. Nguyễn Quốc Bình, Nguyễn Thị Hằng Nga, Đinh Tiến Dũng (1997), “Kỹ thuật mô phỏng hệ thống thông tin và các ứng dụng”, Tạp chí Bưu chính Viễn thông, Tổng cục Bưu điện, 10/1997. [5]. Nguyễn Quốc Bình, Nguyễn Thị Hằng Nga (2004), “Đánh giá tác động đồng thời của méo tuyến tính và sai lệch đồng hồ trong các hệ thống vi ba số M-QAM”, Chuyên san Các công trình nghiên cứu-triển khai viễn thông và công nghệ thông tin - Tạp chí Bưu chính viễn thông, số 11, 3-2004. [6]. Nguyễn Thị Hằng Nga (1997), “Ảnh hưởng tạo dạng tín hiệu tới quay pha phụ tối ưu trong các hệ thống vô tuyến tiếp sức M-QAM phi tuyến”, Tạp chí Khoa học và kỹ thuật, Học viện kỹ thuật quân sự, số 81, 1997. [7]. Trần Việt Tuấn (1998), “Biểu diễn các bộ khuếch đại công suất trong mô phỏng các hệ thống vô tuyến tiếp sức M-QAM”, Hội nghị toàn quốc lần thứ ba về tự động hoá (3rd VICA), Hà nội, 9-11/4/1998. [8]. Amadesi P., Mura P. G., Pattial F. (1983), “Including a Nonlinear Amplifier and a Predistoter in a Bandlimited 16-QAM Systems”. IEEE, ICC’83. [9]. Binh N. Q. (1995), “The Influence of the Pulse Shaping on the Signal-to-Noise Ratio Degradation Caused by Nonlinear Distortion in M-QAM Systems”, TEMPUS Workshop, Budapest, Jun. 8-10, 1995. [10]. Nguyễn Thị Hằng Nga, Nguyễn Quốc Bình, Nguyễn Hải Ngọc (2001), “Optimum Additional Phase Shift in Nonlinear 16-QAM Systems”, Journal on Science and Technique, Military TechnicalAcademy, No. 96, 2001. [11]. Pupolin S., Greenstain L.J. (1987), “Performance Analysis of Digital Radio Links with Nonlinear Transmit Amplifier”, IEEE, Journal on SA C, Vol. SAC-5, No.3, Mar. 1987.

Đoàn Thị Thanh Thảo và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 27 - 32

32

SUMMARY THE ABILITY TO USE THE DD -DISTANCE DEGRADATION TO EVALUATE THE EFFECTS OF DISTORTION CAUSED BY NON LINEAR AMPLIFIER OUTPUT POWER OF 256-QAM SYSTEMS

Doan Thi Thanh Thao1∗, Doan Thanh Hai2, Do Huy Khoi1

1College of Information and Communication Technology- TNU 2 College of Technology- TNU

Studies show how to determine the distance degradation - dd to evaluate the nonlinearity of power amplifiers and examines the dependence of Signal to Noise Ratio - SNRD on the distance degradation - dd in MQAM modulation system 256-single carrier. At the same time the paper also proposes a new research direction for calculating a bit error probability analysis to assess the impact of nonlinear distortion caused by power amplifiers in the system multi-carrier modulation. Key words: distance degradation, MQAM, nonlinear distort, SNRD − Signal-to-Noise Ratio Degradation.

∗ Tel: 0984 984199, Email: thaonguyen@yahoo.com

Nguyễn Thị Thu Hiền Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 33 - 37

33

ĐIỀU CHỈNH DÒNG ĐIỆN VÀ TỐC ĐỘ TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG THIRISTOR- ĐỘNG CƠ

Nguyễn Thị Thu Hiền*

Trường ĐH CNTT&TT - Đại học Thái Nguyên

TÓM TẮT

Hiện nay các hệ thống truyền động một chiều kiểu Thiristor-Động cơ (T-Đ) đang được ứng dụng rộng rãi do chúng đảm bảo các chỉ tiêu tĩnh và động của hệ thống và dễ dàng thực hiện các truyền động có công suất lớn đồng thời có tính bền vững cao. Bài báo này trình bày cách phân tích tổng hợp hệ truyền động T-Đ với hai mạch vòng điều khiển dùng bộ điều khiển PID. Kết quả của việc khảo sát và đánh giá thiết kế qua mô phỏng dùng Matlab -Simulink cho thấy được chất lượng thực trạng của hệ thống và hướng nâng cao chất lượng của hệ bằng cách đưa thêm vào bộ điều khiển mờ để điều khiển mạch kích từ của động cơ. Từ khóa: Hệ thống truyền động một chiều kiểu T-Đ, tổng hợp hệ, mô phỏng, điều khiển mờ, mạch vòng phản hồi.

∗ ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay trong các hệ thống điều khiển đặc biệt là các hệ điều khiển Rôbốt công suất lớn, thì hệ truyền động một chiều kiểu T-Đ đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi vì chúng đảm bảo tốt các chỉ tiêu tĩnh và động của hệ thống, dễ dàng thực hiện các truyền động có công suất lớn và tính bền vững cao. Việc phân tích và tổng hợp thành công các hệ thống này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn vì đây là hệ thống cơ bản trên nhiều dây truyền sản xuất cụ thể. Trên cơ sở của việc tổng hợp và mô phỏng với bộ điều khiển PID kinh điển, việc phát triển phối hợp điều khiển mờ để tạo ra bộ mờ lai (Hybrid Fuzzy) nhằm nâng cao chất lượng hệ truyền động sẵn có là hướng phát triển có nhiều tiềm năng.

PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP TRUYỀN ĐỘNG.[1], [2], [3]

Đối với hệ truyền động T – Đ việc điều chỉnh các thông số đầu vào hệ được thực hiện để thu được các đặc tính đầu ra sao cho phù hợp với yêu cầu của công nghệ. Để điều chỉnh được các thông số vào hệ thống thì động cơ thường được thiết kế với hai mạch vòng phản hồi trong nhằm để ổn định dòng điện kích từ, mạch vòng phản hồi ngoài là mạch vòng phản hồi âm tốc độ để ổn định tốc độ. Ví dụ trong

∗ Tel: 0972208032, Email: nthienedu@gmail.com

trường hợp trục cán làm việc ở chế độ cán có phụ tải nặng, mômen cản biến thiên liên tục, cần phải đảm bảo cho mômen động cơ đủ lớn thắng được mômen cản, hay nói cách khác với truyền động này cần ưu tiên đến mômen động cơ. Khi tải biến thiên, hệ truyền động cần đưa thêm mạch vòng phản hồi dòng điện - mạch vòng này gọi là mạch vòng bù dòng điện phần ứng. Ở đây ta xét sơ đồ cấu trúc chung của hệ điều khiển gồm có hai mạch vòng như trong hình 1.

Hình 2. Sơ đồ hàm truyền đạt của hệ T - Đ một

chiều với hai mạch vòng điều khiển

Trong đó: - Tω, Ti là hệ số dòng điện và hệ số tốc độ động cơ;

- Ta: hằng số thời gian điện từ;

- Tc: hằng số thời gian cơ học.

Trong sơ đồ này hệ truyền động T-Đ với hai mạch vòng âm tốc độ và âm dòng điện là hai mạch vòng quen biết. Quá trình tổng hợp hệ thống được thực hiện từ mạch vòng trong ra đến mạch vòng ngoài. Kết quả tổng hợp mỗi mạch vòng sẽ chọn được bộ điều chỉnh thích hợp.

Nguyễn Thị Thu Hiền Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 33 - 37

34

Tổng hợp mạch vòng dòng điện Sơ đồ cấu trúc thu gọn của mạch sức điện động như hình 3.

Hình 3. Sơ đồ thu gọn mạch vòng dòng điện

Trong bài báo này tiến hành tổng hợp mạch vòng dòng điện theo tiêu chuẩn tối ưu modul để tìm hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện

Ta có:

).1).(.1).(.1).(.1(

/.

)(

)(

PTPTPTPT

RKK

PU

PUS

iUVdk

icl

dk

i

Oi ++++== (1)

Trong đó: Tđk: là hằng số thời gian của mạch điều khiển

Ti : là hệ số thời gian của sensơ dòng điện

Tư : là hệ số thời gian điện từ của mạch phần ứng

Tv : là hệ số thời gian của động cơ điều khiển

Ki: điện trở của sensơ

Thay: iTσ = Tđk +Tv +Ti <<Tư

).1).(.1(

/.)(

s PTPT

RKKPS

Ui

icl

Oi ++≈ (2)

Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu của môdul ta có hàm truyền hệ kín:

22σσ τ2τ21

1

PPFOMi ++

= (3)

Mặt khác ta có theo hình 4 ta có:

ii

ii

OMiSPR

SPRPF

σ

σ

).(1

).()(

+= (4)

⇒iOMii

OMi

iSFS

FPR

σσ .)(

−= (5)

++−

++

++=

22σσ

22σσ

τ2τ21

11.

).1)(1(

/.

τ2τ21

1

)(

PPTppT

Rkk

PPPR

usi

icl

i

(6)

).τ1.(τ.2.).1)(1(

/.1

)(

σσ11

ppTppT

RkkPR

usi

icli

+++

=

(7)

Chọn =στ min (Tư ,Tsi ) = Tsi

Vậy ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện Ri(p) tính được như sau:

).

11.(

...2

.

....2

.1)(

s uiclsi

u

i

icl

u

iTPKKT

TR

R

TKKP

TPPR +=

+=

(8)

Ri(P) là khâu tỷ lệ – tích phân (PI).

Tổng hợp mạch vòng tốc độ Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ như hình vẽ 4.

Hình 4. Sơ đồ thu gọn mạch vòng tốc độ

Để tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta có thể tổng hợp theo phương pháp tối ưu modul hoặc phương pháp tối ưu đối xứng. Trong bài báo này, áp dụng theo tiêu chuẩn tối ưu modul để xác định hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ :

).1(...

.

sω

ωω

TPPTCK

KRS

cui

o += (9)

Với T sω =2. ωs TT i + với ωsT rất nhỏ áp dụng tiêu chuẩn tối ưu mô đul:

22

σσ τ2τ21

1

PPF

ωOM ++= (10)

Mặt khác ta có:

ωωω

ωω .

)(oOMo

OM

SFS

FPR

−= (11)

++−

+

++=

22σσsω

ω

22σσ

ω

τ2τ21

11.

).1(...

.

τ2τ21

1

)(

PPTPPTCK

KR

PPPR

cui

(12)

( )σσsω

ωω

τ.1.τ..2.).1(...

.1

)(

PPTPPTCK

KRPR

cui

++

=

(13)

Chọn sωσ.τ T=

Nguyễn Thị Thu Hiền Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 33 - 37

35

Ta có : sωω

ω .2..

..)(

TKR

TCKPR cui= (14)

Vậy )(PRω là khâu tỷ lệ :P

Tiêu chuẩn này được sử dụng khi hệ thống khởi động đã mang tải, lúc đó ta không coi IC là nhiễu nữa.

Kết quả khi tổng hợp mạch vòng tốc độ bằng tiêu chuẩn tối ưu modul ta có:

ωωωωωωω

KpTKpTpTp

p

sssd

1.

.21

11.

2.21

1

)(

)(22 +

≈++

=

(15)

MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG.

Tính toán các thông số của hệ thống Một số thông số cho trước Pđm: Công suất định mức của động cơ 1kW Uđm: Điện áp định mức của động cơ 220 V nđm : Tốc độ quay định mức của động cơ 1000 v/p Lư :Điện cảm phần ứng 0, 0016 H

Rư :Điện trở phần ứng 2,42 Ω

Ti: Hằng số thời gian của máy biến dòng 0,0025 s

TCL:Hằng số thời gian của bộ chỉnh lưu 0,003s

Tđk:Hằng số thời gian của mạch điều khiển bộ chỉnh lưu 0,00015s

ωT : Hằng số thời gian của máy phát tốc 0,0015s

ϕT :Hằng số thời gian của bộ cảm biến vị trí 0,3s

L:Chiều dài quãng đường cần di chuyển 110 m

R:Bán kính trục truyền tải cuối cùng 0,35 cm

ηđm:Hiệu suất định mức của động cơ 90%

Tđk=100µ s,Tv= 2,5ms ,Ti = 2ms ,Tư = 100ms.

Mô phỏng hệ truy ền động cán tinh bằng phần mềm Matlab [4]

Sau khi tính toán các thông số của hệ thống theo tiêu chuẩn tối ưu modul, tìm ra hàm truyền của các khâu hiệu chỉnh, tiến hành ghép nối các khâu lại với nhau và kiểm nghiệm lại hệ thống. Sử dụng phần mềm Matlab -Simulink để tiến hành mô phỏng hệ thống truyền động T-Đ dùng bộ điều khiển PID (PD). Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển như hình 5.

Hình 5. Sơ đồ mô phỏng dùng Simulink cho hệ T-Đ

Hình 6. Đồ thị mô phỏng dòng điện và tốc độ Với Ta=0.103, Tc=1,3

(Trong đó: Ta - hằng số thời gian điện từ, và Tc - hằng số thời gian cơ học)

Nguyễn Thị Thu Hiền Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 33 - 37

36

Hình 7. Đồ thị mô phỏng dòng điện và tốc độ với Ta=0.05, Tc=1.3

Hình 8. Đồ thị mô phỏng dòng điện và tốc độ với Ta=2, Tc=1

Kết quả mô phỏng

Khi chạy chương trình mô phỏng ta được các đồ thị mô phỏng dòng điện và tốc độ như hình bên.

Từ các nhận xét trên ta thấy khi Ta và Tc thay đổi thì đặc tính hệ thống bị thay đổi rất nhiều. Để đảm bảo các đặc tính tốc độ (t) và dòng điện Ri(t) là đạt như mong muốn ta cần thay đổi các tham số của bộ điều khiển.

Trong thực tế khi tính toán các hệ truyền động T-Đ, các thông số là Ta, Tc, Ku , J là những tham số không đổi, nhưng thực tế các thông số đó là thay đổi và phi tuyến vì vậy dẫn đến sự thay đổi mô hình toán cũng như các đặc tính của hệ.

Để giải quyết vấn đề này chúng ta có thể dùng các phương pháp điều khiển hiện đại để nâng cao chất lượng hệ thống

Từ kết quả mô phỏng chúng ta cũng nhận thấy ứng với trường hợp Ta=0.103, Tc=1,3 đặc tính có dạng ứng với hệ thống có chất lượng tốt nhất, làm việc ổn định nhất, dòng điện quá độ nhỏ nhất.

Đánh giá

Qua khảo sát ta có thể tính toán và mô phỏng hệ thống truyền động T-Đ chỉ dùng bộ điều khiển PID với các thông số cố định chúng ta nhận thấy:

Chất lượng động của hệ thống truyền động tương đối đảm bảo yêu cầu, tuy nhiên trong

Nguyễn Thị Thu Hiền Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 33 - 37

37

hệ thống có các thống số là phi tuyến mà hệ thống chỉ mô phỏng với hệ số của mạch kích từ cố định nên chất lượng của hệ thống chưa cao. Để giải quyết vấn đề này ta có thế đưa thêm bộ điều khiển mờ vào để chỉnh định thông số của bộ điều khiển PID.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO [1]. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2002), Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nxb Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [2].Võ Quang Lạp, Trần Thọ (2004), Cơ sở điều chỉnh tự động truyền động điện, Nxb Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [3]. Nguyễn Doãn Phước (2003), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nxb Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [4].Nguyễn Phùng Quang (2003) ,MATLAB & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.

SUMMARY ADJUSTING ELECTRICITY AND SPEED IN THIRISTOR-MOTOR POWER TRANSMISSION SYSTEM

Nguyen Thi Thu Hien∗

College of Information and Communication Technology - TNU

At the moment, the one-way thiristor-motor power transmission systems (T-D) are being widely applied because they ensure to have static and dynamic targets of systems and are easy to perform large capacity and high sustainability transmission systems. This paper presents the ways to analize generally T-D power transmission with 2 control loop circuits using PID controller. The result of the survey and evaluating the design by simulation using Matlab-Simulink shows the real quality of the system and the way to improve it by adding the fuzzy controller to control the exciting circuit of motor. Key words: one-way thiristor-motor power transmission systems, general system, simulation, fuzzy controller, feed back loop circuit.

∗ Tel: 0972208032, Email: nthienedu@gmail.com

Nguyễn Thanh Bình Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 39 - 42

38

Nguyễn Thanh Bình Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 39 - 42

39

KHẢO SÁT CÁC ẢNH HƯỞNG DO NHIỄU TÁC ĐỘNG CỦA HAI H Ệ LỰC HƯỚNG TÂM VUÔNG GÓC TRONG Ổ ĐỠ TỪ

Nguyễn Thanh Bình*

Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT Khảo sát ổ đỡ từ dưới tác động của lực hướng tâm theo một phương hoàn toàn tương tự như một bộ treo từ tính với mô hình toán học của hệ điều khiển tự động có một đầu vào và một đầu ra (SISO), đã được trình bày tại các bài báo trước đây [5][6]. Nhưng trong thực tế, ổ từ luôn chịu tác động của hai hệ lực hướng tâm vuông góc nhau (hai phương nhưng theo 4 hướng ngược nhau từng đôi một ( x và -x ; y và -y )). Khi hai lực hướng tâm vuông góc bị lệch khỏi trục x và y (do các

nhiễu tác động), tức là chúng không thẳng hàng thì sẽ xuất hiện sự giao thoa giữa hai hệ trục đó. Lúc này khảo sát ổ đỡ từ sẽ phải sử dụng mô hình nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO). Từ khóa: lực hướng tâm, mô hình nhiều đầu vào nhiều đầu ra

∗MÔ HÌNH TOÁN HỌC

Mô hình toán học cho hệ thống ổ từ được cho dưới đây, [7]:

2

01

4

03

( , ) ,

( , )

i i yi

j j xj

my F y I F

mx F x I F

=

=

= +

= +

∑

∑

&&

&&

(1) (33)

Ở đó, ( ), ( ), ( )y t y t y t& && biểu diễn cho vị trí, vận tốc, gia tốc của Roto một cách tương ứng, dọc theo trục y. ( ), ( ), ( )x t x t x t& && biểu diễn vị trí, vận tốc và gia tốc của Roto một cách tương ứng dọc theo phương x; m biểu diễn khối lượng của Roto, ( , ), 1,2j iF y I i = và

( , ), 3,4j jF x I j = chỉ các lực được tạo ra bởi

mỗi mạch điện từ; ,iI 1,2i = và

, 3,4jI j = biểu diễn dòng trong mỗi cuộn

dây Stator. 0yF và 0xF là các lực nhiễu. Mô

hình cảm ứng từ thông liên kết vòng cho phép chúng ta tính toán mô hình với lực được tạo ra bởi các pha điện như sau [7]:

0

0

( , ) ( , ) , 1,2

( , ) ( , ) , 3,4

i

j

I

i i i i i

I

j j j j j

F y I y I dI iy

F x I x I dI jx

λ

λ

∂= =∂∂= =∂

∫

∫

(2)

∗ Tel:0989846989

Trong đó, ( , )i iy Iλ và ( , )j jx Iλ biểu diễn

mô hình từ thông liên kết vòng (cảm ứng từ thông liên kết vòng). Ngoài ra, mô hình từ thông liên kết vòng cho phép chúng ta tính toán các động lực phân hệ (hệ con) điện cho các pha hệ điện như [7]:

( , ) ( , ) , 1,2,

( , ) ( , ) , 3,4.

i i i i i i i i

j j j j j j j j

L y I I R I B y I y u i

L x I I R I B x I x u j

+ + = =

+ + = =

& &

& &

(3)

Với iu và ju chỉ điện áp đầu vào, iR và jR

chỉ điện trở; các đại lượng điện cảm ( , )i iL y I và ( , )j jL x I mà được giả sử là các số

dương. ( , )i iB y I và ( , )j jB x I là độ từ cảm,

điện cảm và độ từ cảm được tính như sau:

( , )( , )( , ) , ( , ) ,

( , )( , )( , ) , ( , ) .

j ji ii i j j

i j

i ji ii i j j

x Ly IL y I L x I

I I

x Iy IB y I B x I

y x

λλ

λλ

∂∂= =∂ ∂

∂∂= =∂ ∂

Hình 1 [3] trình bày mặt cắt ngang của một dạng ổ đỡ từ thông dụng. 8 cực được chia thành 4 nam châm điện tức là các nam châm điện được đánh số thứ từ từ 1 đến 4 trên hình vẽ.

Với một dòng điện i1 trong một cuộn dây, nam châm 1 sinh ra một lực hướng tâm F1 theo chiều x, nhưng trái lại nam châm 3 sinh ra một lực hướng tâm có chiều ngược lại (–x).

Nguyễn Thanh Bình Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 39 - 42

40

Nam châm 2 và 4 cũng sinh ra 2 lực hướng tâm theo phương y và có chiều ngược nhau.

Hình 1. Ổ đỡ từ chịu tải hướng tâm

Trong ổ đỡ từ, có 2 cặp lực hướng tâm vuông góc là các lực theo phương x vuông góc với các lực theo phương y. Như đã nói ở trên, 4 nam châm làm việc trong 4 kiểu khác nhau với các cường độ dòng điện trong 4 nam châm được điều chỉnh một cách độc lập. Như vậy cần 8 cuộn dây để nối giữa ổ đỡ từ với 4 bộ điều chỉnh dòng điện.

TÁC ĐỘNG TƯƠNG HỖ CỦA HAI HỆ LỰC HƯỚNG TÂM KHÔNG THẲNG HÀNG

Các lực hướng tâm được sinh ra mong muốn là thẳng hàng trong hệ hai trục vuông góc, các trục này thường trùng các chuyển vị x và y. Tuy nhiên, có một vài nguyên nhân gây ra sự lệch trục của lực hướng tâm tức là khi chúng không thẳng hàng theo hai trục x và y. Giả sử rằng một nam châm điện của một ổ đỡ từ được cấu tạo với một độ lệch tại một góc tương ứng với các sensor chuyển vị hướng tâm. Phương của lực hướng tâm sinh ra có một sai lệch vị trí góc mà dẫn đến giao thoa các phần tử lực theo phương x và y. Các nguyên nhân có thể gây nên giao thoa như sau [3]:

a. Từ thông do các dòng điện xoáy (dòng điện phuco) có thể sinh ra một độ trễ trong lực hướng tâm. Tại vận vận tốc quay cao và với một rotor đặc, các dòng xoáy phân bố trên bề mặt một rotor, gây nên các phần tử trễ pha trong sự phân bố sóng từ thông tương ứng với rotor. Độ trễ pha này trong từ thông

dẫn đến sai lệch hướng đối với các lực hướng tâm sinh ra.

b. Hiệu ứng hồi chuyển (hiệu ứng con quay) là biểu hiện bằng chuyển vị hướng tâm ngắn làm việc với các rotor hướng kính lớn. Hiệu ứng hồi chuyển sinh ra lực hướng tâm giao thoa.

c. Trong động cơ không dùng ổ, phương của lực hướng tâm chứa các sai lệch nếu như bộ điều khiển có các sai lệch trong vị trí góc được ước lượng hoặc tìm thấy được của từ trường quay. Các sai lệch phương cũng có thể gây nên bởi sự thay đổi điều hoà trong không gian của lực từ động và sự phân bố độ dẫn từ.

Giao thoa giữa các lực hướng tâm theo phương x và y có thể gây ra một vấn đề nghiêm trọng. Trong phần này, giao thoa hướng tâm và ảnh hưởng của nó trong hệ thống ổ đỡ từ với điều khiển phản hồi sẽ được nghiên cứu.

Hình 2 trình bày hai trục vuông góc x và y cũng như các lực hướng tâm phản hồi fNFBx và fNFBy với vị trí góc bị trễ. Roto quay ngược chiều kim đồng hồ. Sai lệch góc hướng được định nghĩa là θer và các lực hướng tâm giao thoa có thể được viết như sau:

mx NFBx

my NFBy

dmy K f

dmx K f

f

f

=

= (4)

Với

er ersin , sinmx myK Kθ θ= − =

Hình 2. Sai lệch vị trí góc

Hình 3 trình bày một sơ đồ khối mà bao gồm sự giao thoa của hai hệ lực hướng tâm vuông góc. Các đầu ra là các vị trí hướng tâm và các

Nguyễn Thanh Bình Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 39 - 42

41

đầu vào là các giá trị đặt. Các khối trên và dưới là các mô hình động lực học theo phương x và phương y. Sự giao thoa được gây ra bởi Kmx và Kmy. Lực hướng tâm giảm xuống do cosθer được bỏ qua vì θer nhỏ.

Hình 3. Nhiễu trong ổ đỡ từ theo phương x và y

Hình 4. Đáp ứng chuyển vị với độ biến thiên

của hệ số khuyếch đại

Đặt giá trị chuyển vị là x* và quan sát đáp ứng của chuyển vị x. Hình 4 trình bày các đáp ứng chuyển vị của hệ điều khiển tự động. Tham số Km được đặt là Kmx= - Km và Kmy = Km. Quan sát ta thấy dao động của hệ tăng lên khi Km tăng lên. Nếu Km lớn hơn 0.3, tương ứng với một sai lệch chiều 170, thì phản hồi âm sẽ kém hiệu quả trong việc giảm chấn hệ thống .

Để nhận được kết quả của mô phỏng số, phân tích ảnh hưởng của sự giao thoa cũng là quan trọng. Trong hình 5, tham khảo vị trí hướng tâm x* được so sánh với chuyển vị hướng tâm x, sau đó được khuyếch đại bởi bộ điều khiển PID là Gc và ki. fdmx là lực nhiễu được thêm vào và tổng của các lực hướng tâm được đặt lên hệ thống ổ từ Gp, tạo ra chuyển vị hướng tâm.Với trục y cũng sử dụng cấu trúc hoàn toàn tương tự. Bằng cách đó có thể bù được

những nguyên nhân gây ra sự giao thoa làm lệch góc của hai hệ lực hướng tâm vuông góc trong ổ từ.

Giả sử rằng đại lượng điều khiển vị trí y* theo phương y bằng 0, giả sử này hợp lý trong phần lớn các trường hợp trong thực tế bởi vậy sơ đồ khối của nhiễu từ fNFBx đến fNFBy được rút gọn như trên hình 5. Có thể thấy rằng giao thoa được biểu diến bởi hai khối nối tiếp mà có các đầu vào fNFBx và fdmx. Hàm truyền của khối là:

1p c sn idmx

mx myNFBx p c sn i

G G K KfK K

f G G K K= −

+

Việc khảo sát hàm truyền của fdmx/fNFBx là quan trọng. Ta định nghĩa Gi = fdmx/fNFBx. Gi là hàm truyền của giao thoa. Nếu Km = 0 và Kmx = Kmy= 0 thì Gi = 0, do đó không có giao thoa. Phần phân số là phần đáng quan tâm: GpGcksnki là hàm truyền lặp của ổ đỡ từ không có giao thoa bởi vậy GpGcksnki là cao tại giá trị tần số thấp. Hàm truyền của phân số gần bằng thành phần đơn vị tại tần số thấp.

Hình 5. Sơ đồ khối theo phương x và giao thoa

Lực giao thoa fdmx được cộng thêm với lực phản hồi pháp tuyến fNFBx một cách song song. Cho nên hàm truyền từ fNFBx tới tổng các lực hướng tâm fsum được viết như sau:

1 ( )1

p c sn isummx my

NFBx p c sn i

G G K KfK K

f G G K K= + −

+

(5)

KẾT LUẬN

Khi có giao thoa trong hai hệ lực hướng tâm vuông góc, bằng cách tìm hàm truyền

Nguyễn Thanh Bình Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 39 - 42

42

nhiễu Gi như (5) như minh họa trên hình 5, có thể khảo sát ổ từ như hệ SISO một cách tiện lợi và nhanh chóng.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1]. Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab & Simulink, nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [2]. Hoàng Minh Sơn (2006), Điều khiển quá trình, nhà xuất bản Bách khoa- Hà Nội [3]. Akira Chiba, Tadashi Fukao,Osamu Ichikawa, Masahide Oshima, asatsugu Takemoto and David G.

Dorrell, Magnetic Bearings and Bearingless Drives. [4]. C. Colin Roberts, The multiple attractions of magnetic bearings, World pumps December 2006, 0262 1762/06. [5]. Nguyễn Thanh Bình (2009), Tổng quan về ổ đỡ từ và những vấn đề điều khiển chúng, tạp chí KHCN của ĐH Thái Nguyên số T4-2009. [6]. Nguyễn thị Thanh Nga (2009), Khảo sát các đặc tính của bộ treo từ tính, tạp chí KHCN của ĐH Thái Nguyên số T11-2009. [7]. K. D. Do (2009), Control of Nonlinear Systems with Output Tracking Error Constraints and its Application to Magnetic Bearings.

SUMMARY STUDY ON THE EFFECTS OF DISTURBANCES TO THE TWO CENTRIFUGAL FORCE SYSTEMS IN THE MAGNETIC BEARI NG

Nguyen Thi Thanh Binh∗

College of Technology - TNU

The mathematic model of a magnetic bearing with the influence of one direction centrifugal force is the same as that of an electromagnetic suspension which is presented as a SISO control system. This problem has been published in [5] and [6]. In fact, a magnetic bearing is always influenced by two pairs of centripetal forces which are perpendicular to each other (x , - x ; y , - y where the “-“ indicates

the oposite direction of the force). Whenever the four centrifugal forces are not on the x and y axis as a consequence of the disturbances, there occur inferences between the two force systems. In this case, a MIMO model is employed to study the magnatic bearing system. Key words: centrifugal force, inferences between the two force systems

∗ Tel:0989846989

Đỗ Thị Vụ và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 43 - 48

43

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHI ỂN SỐ VÀO VI ỆC CẢI TẠO NÂNG CẤP MÁY PHAY V ẠN NĂNG 6P13Б

Đỗ Thị Vụ*, Phạm Đình Tiệp, Ngô Mạnh Tiến Trường Cao đẳng Kinh tế Kỹ Thuật - ĐH TN

TÓM TẮT Điều khiển số với các mạch vòng phản hồi kín đảm bảo cho hệ thống ổn định và đảm bảo các chỉ tiêu về mặt chất lượng động như: độ quá điều chỉnh, tốc độ, thời gian điều chỉnh...Do đó việc ứng dụng điều khiển số vào việc cải tạo và nâng cấp hệ thống truyền động bàn của các máy phay cũ mang ý nghĩa thực tiễn. Bài báo đã nghiên cứu và ứng dụng điều khiển số nhằm cải tạo nâng cấp hệ truyền động bàn ăn dao máy phay 6R13Б . Bằng kết quả phân tích và tổng hợp hệ thống số và việc thiết kế xây dựng phần cứng của hệ thống truyền động làm cơ sở cho việc tiếp tục nghiên cứu ứng dụng vào chuyển đổi những hệ thống truyền động của máy cũ sang hệ thống số mà hệ thống này đang được nghiên cứu và ứng dụng thực tế. Từ khóa: Hệ thống truyền động số, Máy phay vạn năng, hệ thống T-D, động cơ một chiều, điều khiển lặp.

∗ ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong những năm gần đây việc ứng dụng hệ truyền động một chiều T - Đ với các mạch vòng phản hồi kín nhằm đảo bảo tốt các chỉ tiêu tĩnh và động của hệ thống ngày càng được sử dụng phổ biến, nó có khả năng ứng dụng cho hệ truyền động có công suất nhỏ đến công suất lớn.

Việc đi sâu nghiên cứu và ứng dụng điều khiển số vào việc cải tạo nâng cấp máy phay vạn năng ở xưởng Cắt gọt trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật có một ý nghĩa thực tiễn.

Máy phay 6P13Б đã được sản xuất và đưa vào sử dụng trên 30 năm, hiện nay nó vẫn đang được sử dụng. Bàn máy có 2 truyền động cần quan tâm.

- Truyền động chính (quay dao phay) là truyền động quay tròn nhờ động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc, làm việc với công suất không đổi, không yêu cầu đảo chiều quay khi đang vận hành.

- Truyền động ăn dao: Truyền động ăn dao trên máy có yêu cầu phức tạp, yêu cầu về phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, đặc tính cơ có độ cứng cao, độ ổn định tốc độ cao. Hệ thống truyền động ăn dao phải đảm bảo độ tác động nhanh, dừng máy chính xác, đảm

∗ Tel: 0914 430511, Email: dothivu.tec@gmail.com

bảo sự liên động với truyền động chính khi làm việc tự động.

Đối chiếu với các yêu cầu này thì hiện tại truyền động bàn máy phay 6P13Б chưa đáp ứng được v× m¸y ®· qu¸ cò chủ yếu là dùng tay gạt cơ khí và các hãm cắt điều khiển đóng cắt điện cho các công tắc vì thế độ chính xác không cao, vì thế việc cải tạo nâng cấp truyền động bàn ăn dao máy phay là cần thiết.

Chọn phương án cải tạo và nâng cấp truy ền động bàn máy phay

Để cải tạo nâng cấp truyền động bàn máy phay ở tại xưởng trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật cho đáp ứng với yêu cầu như: phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, độ ổn định tốc độ cao có thể dùng 2 hệ truyền động mà gần đây người ta sử dụng đó là:

- Hệ điều khiển vector biến tần động cơ 3 pha.

- Hệ thống Thyristor - Động cơ.

Qua phân tích ta thấy cả hai hệ thống đều đáp ứng được các yêu cầu truyền động bàn máy phay. Tuy nhiên xét cấu trúc của hệ thống cũ của máy với mục đích để cải tạo và nâng cấp thì hệ T-D mang tính khả thi hơn.

Thiết kế hệ thống truyền động số cho truy ền động bàn ăn dao máy phay

Để khảo sát ổn định cụ thể của một hệ thống truyền động ta tiến hành tính chọn các thông số và thay vào các công thức tính toán.

Đỗ Thị Vụ và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 43 - 48

44

Sơ đồ khối:

Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống truyền động số

Ổn định mạch vòng dòng điện * Tổng hợp mạch vòng dòng điện Từ sơ đồ cấu trúc của hệ thống ta có sơ đồ mạch vòng dòng điện dưới đây:

Uω

uphi

RI(z)Ud

1Tas + 1

1Tcs

-( )

H(s)T

E

T Ku

Tus + 1

RI E(s)

Hình 2. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện

Áp dụng các định luật về hàm số truyền đạt cho các khối 1,2 ta có:

R (z)I

H(s)

-

Ku

T s +1u

T sc

1+T s +T T sc a c2

Uω

Up

T T RI(s)

Hình 3. Sơ đồ cấu trúc rút gọn mạch vòng dòng điện

Với các số liệu tính toán như sau:

T = 0,00165

Kp =0,25 ; Ki =42

Sau khi thay số và biến đổi ta được kết quả như sau :

Hàm truyền hệ kín của mạch vòng dòng điện là:

012

23

3

012

23

3

1

00112

223

3

012

23

3

0

0

)(

)()(

)()()1(

)(1

)()(

EZEZEZE

DZDZDZD

ZU

ZRIZW

DCZDCZDCZD

DZDZDZD

ZW

ZWZW

KI

KI

++++++

==

++++++++++

=

+=

Thay số vào ta có:

E0 = - 3,4181

E1 = 11,8326

E2 = - 13,6669

E3 = 5,2945

* Xét ổn định mạch vòng dòng điện Từ hàm truyền đạt hệ kín của mạch vòng dòng điện thay số và biến đổi ta được kết quả như sau:

G0 = 0,0421

G1 = 0,6383

G2 = 7,4635

G3 = 34,2122

Ta có: G0V

3 + G1V2+ G2V+G3 = 0

0,0421.V3 +0,6383.V2 + 7,4635.V+34,3122= 0

Xét ổn định cho mạch vòng dòng điện theo tiêu chuẩn ổn định Routh:

Theo tiêu chuẩn Routh, để cho mạch vòng dòng điện ổn định thì điều kiện cần và đủ là:

G0 > 0 ; G1 > 0 ; N0 > 0 ; N1 > 0

Vậy ta thấy:

0,0421>0; 7,4635>0;5,2073>0; 34,2122>0

Vậy khi ta chọn các hệ số KP và Ki cho bộ điều khiển dòng điện và thời gian lượng tử T phải đảm bảo điều kiện trên thì mạch vòng dòng điện ổn định.

Ổn định của mạch vòng tốc độ * Tổng hợp mạch vòng tốc độ Sau khi tổng hợp mạch vòng dòng điện ta tổng hợp mạch vòng tốc độ theo sơ đồ khối sau: Uω(Z)

Rω(z)n(Z)

WKI(Z) WB(Z)

Hình 4. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ

Với các số liệu tính toán như sau:

T = 0,00165

Kp = 0,25

Ki = 42

Kω=0,0006

Hàm truyền hệ kín của mạch vòng tốc độ:

=+

=ω

ωω )Z(W1

)Z(W)Z(W

0

0K

Đỗ Thị Vụ và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 43 - 48

45

)(

)(01

22

33

44

002

103

204

30

ZU

Zn

FZFZFZFZF

ZDKZDKZDKZDK

ω

=

−++++++

=

Trong đó:

F0 = -E0; F1 = K0D0 + E0 – E1; F2 = K0D1 + E1 – E2; F3 = K0D2 + E2 – E3;

F4 = K0D3 + E3

Thay số vào ta được:

F0 = 3,4181; F1 = - 15,9200; F2 = 27,7740; F3 = - 21,5483;F4 = 6,2856

* Xét ổn định của mạch vòng tốc độ Từ hàm truyền đạt hệ kín của mạch vòng tốc độ:

)(

)(

)(01

22

33

44

002

103

204

30

ZU

Zn

FZFZFZFZF

ZDKZDKZDKZDKZWK

ω

ω

=

−++++++=

Ta có phương trình đặc tính:

0FZFZFZFZF 012

23

34

4 =−+++

6,2856Z4 – 21,5483Z3 + 27,7740Z2 -15,9200Z

+ 3,4181 = 0

Đổi biến 1

1

−+=

V

VZ Ta có:

0

)4224()626(

)4224()(

01

1

1

1

1

1

1

1

01234

01342

024

30134

401234

01

2

2

3

3

4

4

=+−+−+−+−+++−+

−−++++++⇔

=+

−++

−++

−++

−+

FFFFF

VFFFFVFFF

VFFFFVFFFFF

FV

VF

V

VF

V

VF

V

VF

Đặt:

012344

01343

0242

01341

012340

4224

626

4224

FFFFFQ

FFFFQ

FFFQ

FFFFQ

FFFFFQ

+−+−=−+−=

+−=−−+=

++++=

Thay số vào ta có: Q0 = 0,0094; Q1 = 0,2130; Q2 = 2,6741; Q3 = 22,7266;Q4 = 74,9460

Ta có :

Q4V4 + Q3V

3 + Q2V2 + Q1V + Q0 = 0

74,9460.V4 + 22,7266.V3 + 2,6741.V2 + 0,2130.V + 0,0094 = 0

Ta xét ổn định cho mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn Routh.

Theo tiêu chuẩn Routh, để cho tốc độ ổn định thì điều kiện cần và đủ là:

Q0 > 0; Q1 > 0; R0 > 0; R1 > 0; S0 > 0

0,0094>0;0,2130>0; 1,6743>0; 13,1900>0; 74,9460>0

Vậy khi chọn các hệ số Kω cho bộ điều khiển tốc độ số và thời gian lượng tử T ta phải đảm bảo điều kiện trên thì mạch vòng tốc độ ổn định.

Chất lượng của mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ *M ạch vòng dòng điện Ta tiến hành tìm các giá trị KP và Ki của bộ điều khiển dòng điện Ri(Z) ứng với từng giá trị thời gian lượng tử T để cho mạch vòng dòng điện đảm bảo các yêu cầu chất lượng đề ra.

Hàm truyền hệ kín của mạch vòng dòng điện

012

23

3

012

23

3

1KI EZEZEZE

DZDZDZD

)Z(U

)Z(RI)Z(W

++++++==

Ta có phương trình đại số:

E3Z3Y(Z) + E2Z

2Y(Z) + E1Z0Y(Z) + E0Y(Z)

= D3Z3U(Z) + D2Z

2U(Z) + D1Z0U(Z) + D0U(Z)

Trong đó:

Y(Z) = R.I(Z)

Vậy phương trình sai phân ứng với phương trình đại số trên là:

E3Y(K+3) + E2Y(K+2) + E1Y(K+1) + E0Y(K) = D3U1(K+3) + D2U1(K+2) + D1U1(K+1) + D0U1(K+1) + D0U1(K)

Với giả thiết tín hiệu vào Ui =1(t) với t ≥ 0 do đó ta có:

U1(K+3) = U1(K+2) = U1(K+1) = U1(K+1) =1

Vậy:

Y(K+1) = (-E2 Y[K+2] – E1 Y[K+1] – E0 Y[K] + D 3 + D2 + D1 + D0)/E3

Từ phương trình sai phân này lập trình theo ngôn ngữ Pascal ta vẽ được đường cong i(t) ứng với các giá tị KP và KI, ta vẽ các đường

Đỗ Thị Vụ và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 43 - 48

46

cong này trên cùng một hệ trục tọa độ. Chương trình vẽ đường cong này có tên: "Program DDIEN 1”

Giá trị số liệu để vẽ đường cong dòng điện i(t)

1. T = 0,5.TU = 0,00165 (s) + KP1 = 0,25; Ki1 = 25 + KP2 = 0,25; Ki2 = 42 + KP3 = 0,25; Ki3 = 95 2. T = 0,5.TU = 0,002 (s) + KP1 = 0,25; Ki1 = 23,45 + KP2 = 0,25; Ki2 = 50 + KP3 = 0,25; Ki3 = 102

Từ các đường cong quá độ đối chiếu với các tiêu chuẩn chất lượng ta chọn được các giá trị KP và Ki như sau:

1. T=0,5.TU = 0,00165 (s)

+ KP = KP2 = 0,25; Ki = Ki2=42

2. T = 0,5.TU = 0,002 (s)

+ KP = KP2 =0,25; Ki = Ki2 = 50

Từ đây ta xây dựng chương trình “Program DIEN 2” ta vẽ được đường cong R.i(t) cũng như là bảng kết quả của R.I[K] ứng với các giá trị KP và Ki đã chọn.

Hình 5. Đường cong quá độ khi T = 0.00165

Hình 6. Đường cong quá độ khi T = 0.0020

*M ạch vòng tốc độ

Cơ sở lý thuyết để xét chất lượng cho mạch vòng tốc độ cũng giống như mạch vòng dòng điện. Đó là phải tìm giá trị Kω của bộ điều chỉnh tốc độ Rω ứng với thời gian lượng tử T và giá trị KP, Ki của bộ điều khiển dòng điện Ri đã chọn ở (a) để cho mạch vòng tốc độ đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng.

Để vẽ đường cong n = f(t) ta cũng dùng phương pháp số Tustin.

Hàm truyền hệ kín của mạch vòng tốc độ:

)Z(U

)Z(n

FZFZFZFZF

ZDKZDKZDKZDK)Z(W

012

23

34

4

002

103

204

30K

ωω =

−++++++=

F4Z

4Y(Z) + F 3Z3Y(Z) + F 2Z

2Y(Z) + F

1ZY(Z)+F0Y(Z) = K0D3Z4Uω (Z) + K0D2Z

3Uω (Z) + K0 D1Z

2Uω (Z) + K0D0Z Uω (Z)

Trong đó Y(Z) = n(Z).

Vậy phương tình sai phân ứng với phương trình đại số trên là:

F4Y[K+4] + F3Y[K+3] + F2Y[K+2] + F1Y[K+1] + F0Y[K] =

K0D3Uω [K+4] + K0D2Uω [K+3] + K0D1Uω [K+2] + K0D0Uω [K+1]

Với giả thiết tín hiệu vào ui=1(t) với t≥0 do đó ta có:

Uω[K+4] = Uω [K+3] = Uω [K+2] = Uω [K+1]

Y[K+4] = (-F3Y[K+3] - F2Y[K+2] - F1Y[K+1] - F0Y[K] + K 0D3 + K0D2 + K0D1 + K0D0)/F4

Từ phương trình sai phân này lập trình theo ngôn ngữ Pascal ta vẽ được đường cong n(t) ứng với các giá trị Kω ta vẽ các đường cong này trên cùng một hệ trục tọa độ. Chương trình vẽ các đường cong có tên là “Program TOCDO 2”

Giá trị số liệu để vẽ các đường cong ω(t)

1. T = 0,5.TU = 0,00165 (s)

KP = KP1 = 0,25; Ki = Ki1 = 42

Kω1 = 0,0006;

Kω2 = 0,01;

Đỗ Thị Vụ và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 43 - 48

47

Kω3 = 0,00009;

2. T = 0,5.TU = 0,002 (s)

KP = KP1 = 0,25; Ki = Ki1 = 50

Kω1 = 0,00058;

Kω2 = 0,0125;

Kω3 = 0,00009;

Từ các đường cong quá độ đối chiếu với các tiêu chuẩn chất lượng ta chọn được các giá trị KP và Ki như sau:

1. T = 0,5.TU = 0,00165 (s)

KP = KP2 = 0,25; Ki = Ki2 = 42

Kω = Kω2 = 0.0006;

2. T = 0,5.TU = 0,002 (s)

KP = KP2 = 0,25; Ki = Ki2 = 50

Kω = Kω2 = 0.00058;

Từ đây dựa vào chương trình “Program TOCDO1” ta vẽ được đường cong n(t) cũng như là bảng kết quả của n[K] ứng với các giá trị T, KP, Kω và Ki đã chọn.

Hình 7. Đường cong quá độ khi T = 0.00165

Hình 8. Đường cong quá độ khi T = 0.0020

KẾT LUẬN

1. Phân tích và tìm hiểu kỹ thực trạng của máy phay của trường Cao đẳng Kinh tế Kỹ thuật từ đó đề xuất được phương án cải tạo, thay thế nâng cấp máy này đó là thay thế hệ thống truyền động ăn dao bằng hệ thống T – D số.

2. Tiến hành phân tích và tổng hợp hệ thống truyền động số để đánh giá được chất lượng của hệ thống. Cụ thể là:

- Mạch vòng dòng điện với thông số:

+ Với T = 0,5.Tu = 0,00165(s)

Kp = Kp2 = 0,25 ; Ki = Ki2 = 42

+ Với T = 0,5.Tu = 0,002(s)

Kp = Kp2=0,25 ; Ki= Ki2 = 50

- Và mạch vòng tốc độ với thông số :

+ Với T= 0,5.Tu = 0,00165(s)

Kp = Kp2 = 0,25 ; Ki = Ki2 = 42

Kω= Kω2 = 0,0006

+ Với T = 0,5.Tu = 0,002(s)

Kp = Kp2= 0,25 ; Ki= Ki2 = 50

Kω= Kω2 = 0,00058

thì hệ ổn định và có chất lượng tốt.

3. Trên cơ sở phần tính toán khảo sát của hệ thống truyền động đã tiến hành thiết kế xây dựng phần cứng của hệ thống truyền động.

hơn, đồng thời phải tiến hành thí nghiệm trên mô hình thực.

KIẾN NGHỊ

Để đề tài có thể ứng dụng vào sản xuất thì cần có thời gian nghiên cứu 1 cách chi tiết cụ thể Làm được như vậy thì đề án sẽ có tính khả thi ứng dụng vào thực tế.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO [1] TS.Trần Thọ, PGS.TS.Võ Quang Lạp (2004), Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [2] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2006) Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.

Đỗ Thị Vụ và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 43 - 48

48

[3] Võ Quang Lạp, Trần Xuân Minh (1998), Bài giảng môn học kỹ thuật biến đổi, Đại học Kỹ thuật công nghiệp, Thái Nguyên. [4] Nguyễn Công Hiền (2006), Mô hình hoá hệ thống và mô phỏng, Đại học Bách khoa, Hà Nội. [5] Tạ Duy Liên (1999) Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.

[6] Vũ Quang Hồi, Nguyễn Văn Chất, Nguyễn Thị Liên. Trang bị điện – điện tử máy gia công kim loại. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật

[7] Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Nguyễn Trung Sơn, Cao Văn Thành (1999). Điều khiển số máy điện. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.

SUMMARY RESEARCH AND APPLY DIGITAL CONTROL IN IMPROVEMENT O F 6P13Б UNIVERSAL MILLING MACHINE

Do Thi Vu∗, Pham Dinh Tiep, Ngo Manh Tien

College of Economics and Technology - TNU

Control of the closed loop feedback system to ensure stability and guarantee the quality indicators such as: the process control, speed, time to adjust ... Therefore the application control of the renovation and upgrading of the transmission area of the old milling machine practical significance. The article was researched and control applications aimed at improving and upgrading the transmission table 6R13Б feed milling. By analysis and synthesis of digital systems design and build hardware and transmission systems as a basis for continued applied research on switching and transmission systems of the old machine to the numbering system that the system under study and practical application. Key words: digital transmission system, Universal milling machine, T-D system, a DC motor, control-loop.

∗ Tel: 0914 430511, Email: dothivu.tec@gmail.com

Phạm Thị Thương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 49 - 54

49

CẢI TI ẾN FOCL TRONG VI ỆC HỌC CÁC KHÁI NI ỆM ĐỆ QUY

Phạm Thị Thương*, Ngô Thị Lan, Nguyễn Lan Oanh 1 Trường ĐH CNTT&TT – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT FOCL là một thuật toán học khái niệm logic vị từ cấp một đã được đề xuất bởi Pazzani, Brunk Silverstein, 1991; Pazzani và Kibler, (1992) [3]. Tuy nhiên vấn đề học khái niệm đệ quy phức tạp – chứa nhiều lời gọi đệ quy có thể dẫn đến rủi ro, thuật toán không dừng do gặp phải đệ quy không xác định. Trong bài báo này chúng tôi đề xuất cải tiến cho FOCL bằng cách tạo thêm các ràng buộc đệ quy cho FOCL trong khi học nhằm tránh rủi ro này. Các ràng buộc được đưa ra để ngăn chặn FOCL lựa chọn và kết nạp các trực kiện gây rủi ro vào tập mệnh đề định nghĩa khái niệm đệ quy cần học. Kết quả thử nghiệm cho thấy việc cải tiến thực sự có tác dụng. Từ khóa: FOCL (First Order Combined Learner) – Hệ học Kết hợp logic vi từ Cấp 1, đệ quy vô hạn, khái niệm đệ quy, trực kiện, trực kiện âm, vị từ, vi từ mục tiêu, vị từ mở rộng, mệnh đề, mệnh đề Horn, mệnh đề bội, nhóm, tri thức miền, tập dữ liệu huấn luyện.

∗ ĐẶT VẤN ĐỀ

Học để tổng quát hóa các khái niệm là một trong những chủ đề chính của lĩnh vực Máy học, thuộc ngành Trí tuệ nhân tạo. Tổng quát hóa khái niệm nghĩa là từ các tình huống hay các quy tắc, sự việc cụ thể ta diễn dịch được một công thức đủ khái quát để mô tả các tình huống, quy tắc và các sự việc này [8]. Có rất nhiều các thuật toán học đã được nghiên cứu cho chủ đề này như FIND_S, LTE, CEL, GOLEM, FOIL, FOCL,.... [6 ]. Tuy nhiên các thuật toán này chưa quan tâm nhiều đến việc học các khái niệm đệ quy phức tạp. Việc học các khái niệm này phải đương đầu với nhiều khó khăn, trong tập dữ liệu huấn luyện và tập tri thức miền có thể chứa các định nghĩa đệ quy không xác định, dẫn đến thuật toán học dễ rơi vào tình trạng không dừng.

Trong bài báo này chúng tôi chọn FOCL để cải tiến vì FOCL được sử dụng để học các khái niệm được biểu diễn bằng logic vị từ cấp một. Logic vị từ cấp một là một dạng biểu diễn khá thuận lợi cho các khái niệm đệ quy. Mục tiêu của việc cải tiến nhằm tránh rủi ro thuật học không dừng do gặp phải đệ quy vô hạn. Các nghiên cứu về việc học các khái niệm đệ quy trên thế giới đã

∗ Tel: 0912 838646, Email: tn.univer@gmail.com

được trình bày trong một số tài liệu [1, 2, 3 ,4, 7]. Tuy nhiên việc khắc phục rủi ro này mới chỉ đề cập ở [3], được áp dụng cho FOIL. Các kết quả nghiên cứu trong nước về vấn đề này còn rất hạn chế.

Bài báo có cấu trúc như sau: Sau phần đặt vấn đề, phần kế tiếp sẽ trình bày phương pháp phát hiện thứ tự của tập các hằng và các trực kiện trong tập mệnh đề định nghĩa khái niệm đệ quy [3]. Tiếp theo là thuật toán FOCL, thuật toán FOCL cải tiến và phần thử nghiệm được thực hiện qua một bộ dữ liệu thử cụ thể mà chúng tôi lập trình để học hàm Ackermann. Cuối cùng là thảo luận và tài liệu tham khảo.

KHÁM PHÁ THỨ TỰ ĐỆ QUY TRONG TẬP MỆNH ĐỀ

Thứ tự của một tập hằng

Xét quan hệ R(V1, V2, ….., Vk) được định nghĩa mở rộng bởi tập dữ liệu huấn luyện D. D chứa một tập POS gồm một tập các k – tuple, mỗi k tupe (tạm dịch là nhóm k hằng) mô tả R đúng gọi là các nhóm hằng dương tính, ký hiệu ⊕ và tập NEG gồm các nhóm k hằng mô tả R sai, gọi là các nhóm hằng âm tính, ký hiệu . Mỗi nhóm k hằng có dạng (ax1, ax2, …., axk), với axi là hằng thứ i trong nhóm hằng thứ x; i = 1.. k. Các hằng axi có thể thuộc các kiểu dữ liệu khác nhau, có một thứ

Phạm Thị Thương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 49 - 54

50

tự nào đó. Giải thuật tìm một thứ tự hợp lý của các hằng thuộc cùng một kiểu được mô tả như sau [4]:

Bước 1: Mọi cặp đối số (Vi, Vj ); i ≠ j của R đều được kiểm tra nhằm khẳng định xem Vi < Vj, hay Vi có đi trước Vj không. Quan hệ Vi < Vj được thiết lập nếu Vi, Vj thuộc cùng kiểu và axi < axj với mọi nhóm x = 1..n.. Điều này xảy ra khi và chỉ khi transitive closure (tạm dịch là sự khép kín) của các bất đẳng thức giữa các cặp hằng là rỗng, nếu khác rỗng thì hoặc Vi < Vj hoặc Vi > Vj vì cả hai đều hợp lý, không thể phân biệt giữa chúng. Kết quả thu được của bước này là tập các bất đẳng thức giữa các cặp đối số của R.

Bước 2: Tìm tập con của tập các bất đẳng thức thu được ở bước 1 mà phù hợp nhất với tập huấn luyện D.

Bước 3: Tìm một thứ tự tổng hợp trên các hằng bằng cách tạo ra cây phân cấp có gốc là một hằng nào đó dựa vào sự đóng kín của tập các bất đẳng thức giữa các cặp hằng và tập các bất đẳng thức tìm được ở bước 2.

Ví dụ xét hai quan hệ biểu diễn bởi 2 vị từ Subtree và leaf_of như sau:

Subtree (A, B, C) : Có nghĩa là cây A có hai cây con là B và C

Leaf_of(A, B): A là lá của cây B

Với tập huấn luyện D có tập POS:

Subtree: Leaf_of:

(0,1,2) (a,0) (b,1) (b,0)

(1,a,b) (a,1) (c,0) (d,2)

(2,c,3) (a,2) (c,2) (d,3)

(3,d,a) (a,3) (d,0)

Các nhóm hằng không thuộc tập ví dụ này được xem là sai với giả định thế giới đóng – tập NEG.

Xét vị từ Subtree(A,B,C), xét cặp đối số (A, B). Thứ tự các cặp hằng tương ứng với các nhóm hằng là 0<1, 1<a, 2<c, 3<d. Sự đóng kín của chúng là ∅, do đó ta có thể thiết lập bất đẳng thức A<B. Tương tự xét các cặp đối số còn lại (A,C), thứ tự các cặp hằng tương ứng với các nhóm hằng là 0<2, 1<b, 2<3, 3<a. Sự đóng kín của các hằng này = ∅, do đó ta thiết lập được thứ tự A<C. Với cặp đối số (B,C), thứ tự các cặp hằng là 1<2, a<b, c<3, d<a. Sự đóng kín của các hằng này là ∅, do đó ta kết luận được thứ tự B<C. Bất đẳng thức tương ứng với cặp đối số của vị từ Leaf_of (A,B) là B<A do thứ tự các cặp hằng của nó là a<3, b<1, c<0, c<2, d<0, b<0, d<2, d<3 có sự đóng kín của các hằng = ∅ . Sau khi tất cả thứ tự của các cặp đối số được phát hiện, ta tìm một tập con của tất cả các cặp đối số khớp nhất với tập huấn luyện tương ứng với vị từ Subtree(A,B,C) là A<B, A<C, B<C; Leaf_of (A,B) cho ta bất đẳng thức B<A . Thứ tự tổng hợp duy nhất của các hằng khớp với các bất đẳng thức này được tìm là 0<1<2<c<3<d<a<b.

Thứ tự của các trực kiện đệ quy Thứ tự các hằng thuộc mỗi kiểu trong các nhóm hằng mô tả quan hệ R cho phép ta thiết lập các bất đẳng thức trên các đối số của R. Từ đó có thể mở rộng cho thứ tự các trực kiện kéo theo R trong một mệnh đề định nghĩa R và tự chúng thiết lập một thứ tự trên các trực kiện đệ quy ⇒ vị từ R. Giả sử, xét trực kiện đệ quy R(W1, W2,…, Wk) nằm ở vế phải của mệnh đề có vế trái là R (V1, V2, V3, …, Vk), ta có R(W1, W2, W3, ……, Wk) < R (V1, V2, V3, …., Vk) ⇔:

(Wp1 <>p1 Vp1 )∨

(Wp1 = Vp1 ∧ Wp2 <> p2 Vp2, )∨

(Wp1 = Vp1 ∧ Wp2 = Vp2 ∧ Wp3 <>p3 Vp3 ) ∨ (Wp1 = Vp1 ∧ Wp2 = Wp2 ∧ Wp3 = Wp3 ∧ Wp4

<>p 5 Wp5,) ∨ .... (2.2)

Ở đây p1, p2, p3, ……, pk là một hoán vị của 1, 2, 3, ….k vị trí biến trong các trực kiện. Với mỗi pi, ta chọn một trong các vị từ bất

Phạm Thị Thương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 49 - 54

51

đẳng thức < hoặc >, ta ký hiệu lựa chọn này là <>p i. Có thể lạ lẫm rằng tại sao quan hệ > lại được thiết lập ở đây, vì thứ tự của các hằng có thể tăng hoặc giảm, tập bất đẳng thức được tìm là tốt nhất có thể và việc học nhằm tránh tối đa gặp rủi ro. Khi đó thứ tự tổng hợp của các trực kiện đệ quy ⇒ R được thiết lập như sau: Tất cả các trực kiện đệ quy R(W1, W2, …, Wk) ở vế phải của mệnh đề đều phải đi trước trực kiện ở vế trái mệnh đệ là R (V1, V2, V3, …, Vk). Nếu có nhiều mệnh đề cùng định nghĩa một khái niệm đệ quy thì trong mỗi mệnh đề này, tất cả các trực kiện đệ quy ở vế phải đều đi trước trực kiện bên vế trái của mệnh đề. Việc phát hiện thứ tự các trực kiện đệ quy đã được áp dụng thành công trong hệ học FOIL nhằm tránh đệ quy vô hạn khi học các khái niệm đệ quy [4]. Chúng tôi sử dụng kết quả này để mở rộng cho hệ thống học FOCL.

ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN

Bài toán học tổng quát

Cho trước:

D: tập huấn luyện có thể chứa lỗi;

B: Lý thuyết miền, có thể chứa lỗi;

H: Không gian giả thiết, chứa tập các giả thiết h

Yêu cầu: Cải tiến hệ học FOCL sao cho

- Tìm được giả thiết đệ quy h ∈H khớp với B và D, sao cho:

h=argmin(kDerrorD(h)+kBerrorB(h)); (2.1)

trong đó, kD, kB là lợi thế của D, B; errorD(h); errorB(h) là lỗi mà h bị phân loại sai bởi D, B;

- Tránh được rủi ro vô hạn khi học

Trong đó, với FOCL, h là định nghĩa vị từ cần học.

Để thực hiện cải tiến này chúng tôi sử dụng kết quả nghiên cứu từ [3] được trình bày ngắn gọn ở phần 2.2.

Hệ thống FOCL gốc

Hệ thống FOCL [7] là một hệ học mà xây dựng các chương trình mệnh đề Horn từ tập huấn luyện (tập D) và tri thức miền (tập B) dựa trên cả hai cách tiếp cận chứng minh và thực nghiêm. FOCL được mở rộng từ hệ thống FOIL (Quinlan, 1990). Mở rộng này cho phép FOCL sử dụng B để hướng dẫn tiến trình tìm kiếm giả thiết được học. Khi học

một tập mệnh đề định nghĩa khái niệm mục tiêu cần học, FOCL sử dụng giải thuật bao phủ tuần tự để học từng mệnh đề Horn. Xóa các nhóm hằng dương tính được bao bởi mệnh đề này. Sau đó lặp lại qua các nhóm hằng còn lại đến tận khi tập mệnh đề đạt được phủ tất cả các ví dụ dương tính và không phủ bất kỳ ví dụ âm tính nào.

FOCL được thiết kế ngắn gọn như sau:

- Đặt Pred là vị từ cần học;

- POS là tập các tuple ⊕;

- IRs là tập luật khởi tạo;

- Đặt Learned_Rules =

- Lặp lại đến tận khi POS = ∅:

Học một mệnh đề mới

+ Body = ∅;

+ NewClause = Pred Body;

+ Lấy Neg là tập các tuple ;

+ Call LearnClauseBody;

+ NewClause = Pred Body;

+ POS = POS – các nhóm của POS được bao bởi NewClause;

+Learned_Rules=Learned_Rules+ NewClause;

Thủ tục học thân mệnh đề (LearnClauseBody):

-Candidate_literals =Các literal ứng cử được tổng quát hóa tương tự FOIL dựa trên các vị từ được định nghĩa mở rộng và các literal ứng với các vị từ được định nghĩa có chủ tâm

- IF thân một mệnh đề của IR có gain dương,

+ Chọn thân mệnh đề tốt nhất1

+ Thao tác hóa (Operationalize) và xóa các literal vô ích từ nó 2

+ Nối kết quả với Body

+ Cập nhật POS và NEG

+ Call ExtendBody3

- Else

+ Chọn literal tốt nhất từ Candidate_literal,

+ Thao tác hóa và xóa các literal vô ích từ nó2,

+ Nối kết quả với Body,

Phạm Thị Thương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 49 - 54

52

+ Cập nhật POS và NEG,

+ Call LearnClauseBody.

Thủ tục mở rộng thân (ExtendBody):

While Neg ≠ ∅ do

- Chọn literal tốt nhất 2 từ Candidate_literal

- Thao tác hóa và xóa các literal vô ích từ chúng

- Nối kết quả với Body

- Cập nhật POS và NEG

Thủ tục thao tác hóa (Operationalize(Literal,POS, NEG):

- IF (literal là thao tác) Return Literal

- Khởi tạo OperationalLiteral = ∅

- For mỗi mệnh đề trong định nghĩa của Literal

Compute_gain( clause, POS, NEG).

- For mệnh đề có gain lớn nhất

For mỗi literal L trong mệnh đề,

Thêm Operationalize(L, POS, NEG) vào OperationalLiteral

1 Nắm giữ lợi thế của các mệnh đề ưu tiên tốt 2 Cho phép sử dụng các vị từ không thao tác 3 Cho phép hiệu chỉnh các thân mệnh đề cũ

Thông tin lợi thế (gain information) của literal L khi được thêm vào vế phải mệnh R tính theo công thức:

)log(log),(_00

02

11

12 np

p

np

ptRLgainnInformatio

+−

+=

(1)

Trong đó, p0 là số nhóm ⊕ của R, n0 là số nhóm của R, p1 là số nhóm ⊕ của R’, n1 là số nhóm của R’; R’ là mệnh đề R sau khi được thêm L vào vế phải, t là số nhóm của R được mở rộng trong R’.

Hàm Compute_gain (Clause, POS, NEG) tính gain của một mệnh đề dựa trên việc tính Information_gain của kết nối các trực kiện trong thân mênh đề.

FOCL gốc ngăn chặn đệ quy vô hạn trong quá trình học một mệnh đề đệ quy bằng cách tạo ràng buộc khi thêm từng trực kiện vào vế phải mệnh đề. Cụ thể Trực kiện đệ quy R(W1, W2,

….., Wk) được thêm vào vế phải của mệnh đề có vế trái là R(V1, V2, …., Vk ) chỉ khi thỏa mãn ràng buộc Wi < Vi với ít nhất một đối số Vi [3]. Tuy nhiên ràng buộc này không đủ để tránh đệ quy vô hạn khi áp dụng cho một tập các mệnh đề định nghĩa một khái niệm, mỗi mệnh đề có nhiều trực kiện đệ quy trong phần thân (ví dụ, khái niệm đệ quy R(A, B ) = R(A-1, B+1) + R(A+1, B-1) khi được học sẽ dẫn đến đệ quy vô hạn với FOCL gốc).

Đề xuất cải ti ến FOCL

Áp dụng thứ tự trực kiện đã thiết lập ở phần trên, chúng tôi tiến hành cải tiến FOCL bằng cách:

1) Thiết lập thêm điều kiện ràng buộc cho các trực kiện trong thân mệnh đề đang học. Trực kiện đệ quy R(W1, W2, ….., Wk) có thể được thêm vào vế phải của mệnh đề đang được học có vế trái là R (V1, V2, V3, …., Vk) chỉ khi R(W1, W2, …, Wk)< R (V1, V2, V3, …., Vk). Ràng buộc này chúng tôi gọi là ràng buộc đệ quy. 1) Tỉa các literal có thể gây đệ quy vô hạn của mệnh đề được học trong tập mệnh đề khởi tạo Irs và trong B

2) Chọn trực kiện để thêm vào kết nối thân mệnh đề đảm bảo trực kiện đó phải làm tăng giá trị gain của mệnh đề đang học

Việc cải tiến được thực hiện tại hai thủ tục: học một mệnh đề (LearnClauseBody) và thủ tục mở rộng thân (ExtendBody) như sau (phần cải tiến được viết đậm, nghiêng): Thủ tục LearnClauseBody: - Candidate_Literal = Các literal ứng cử được tổng quát hóa tương tự FOIL dựa trên các vị từ được định nghĩa mở rộng và các literal ứng với các vị từ được định nghĩa có chủ tâm thỏa mãn các ràng buộc đã cho và ràng buộc đệ quy

- IF thân một mệnh đề của IR có gain dương,

+ Xóa các literal đệ quy không thỏa mãn ràng buộc đệ quy trong thân + Chọn thân mệnh đề tốt nhất1

+ Thao tác hóa và xóa các literal vô ích từ nó 2, xóa các literal đệ quy không thỏa mãn ràng buộc đệ quy + Nối kết quả với Body

Phạm Thị Thương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 49 - 54

53

+ Cập nhật POS và NEG

+ Call ExtendBody3

- Else

+ Chọn literal tốt nhất từ Candidate_literal,

+ Thao tác hóa và xóa các literal vô ích từ nó2, xóa các litreral không thỏa mãn ràng buộc đệ quy

+ Nối kết quả với Body,

+ Cập nhật POS và NEG,

+ Call LearnClauseBody.

Thủ tục mở rộng thân: ExtendBody

While Neg ≠ ∅ do

- Chọn literal tốt nhất 2 từ Candidate_literal

- Thao tác hóa và xóa các literal vô ích, các literal không thỏa mãn ràng buộc đệ quy từ chúng

- Nối kết quả với Body

- Cập nhật POS và NEG

1 Nắm giữ lợi thế của các mệnh đề ưu tiên tốt 2 Cho phép sử dụng các vị từ không thao tác 3 Cho phép hiệu chỉnh các thân mệnh đề cũ

KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM

Hàm Ackermann

Ackermann là hàm có chứa nhiều trường hợp đệ quy vô hạn. Hàm Ackermann của hai đối số không âm được định nghĩa như sau:

−−=−=+

=elseifnmFmF

nifmF

mifn

nmF

))1,(,1(

0)1,1(

01

),(

Ta chuyển đổi F thành vị từ hàm tự do Ack(A,B,C) có ba đối số A, B, C:

( , )( , , )

true if C F A BAck A B C

false if else

==

Bài toán cần học Cho trước:

1) Ack(A,B,C) là vị từ mục tiêu cần học, là một vị từ đệ quy.

2) Tập các vị từ được định nghĩa mở rộng (Tập huấn luyện D):

Succ(A,B): có nghĩa là B=A+1 (với giá trị của B lên đến 20 );

A=0, B=0; A ≠0, B≠ 0, C =F(A,B): (với giá trị của C lên đến 21),

Ack (A,B,C): với các nhóm hằng, hay tuples huấn luyện là:

- Tập gồm 54 tuples dương tính, ký hiệu ⊕ :

Trong đó: 0 ≤ A < B, B ≤ 20, C ≤ 21

- Với giả thiết thế giới đóng, tập 13608 tuples

Yêu cầu: Tổng quát hóa định nghĩa có chủ tâm cho vị từ mục tiêu cần học theo B và D

Kết quả thực nghiệm: FOCL cải tiến học và cho ra luật học:

Ack(A,B,C) ← A = 0, succ(B,C)

Ack(A,B,C) ← B=0, succ(D,A), Ack(D,E,C)

Ack(A,B,C) ← succ(D,A),succ(E,B), Ack(A,E,F), Ack (D,F,C)

Thứ tự các trực kiện tìm được cho ví dụ này là: Ack(X,Y,Z) < Ack (A,B,C) ⇔ X<A, hoặc X=A và Y<B.

Qua thử nghiệm ban đầu cho thấy FOCL sau khi cải tiến có thể học tập mệnh đề định nghĩa khái niệm đệ quy phức tạp và tránh được rủi ro học không dừng do gặp phải đệ quy vô hạn. Các vị từ của tập mệnh đề này có các đối số là các hằng, các biến, không chứa các hàm. Trong khi điều này không thể thực hiện được bởi FOCL gốc. Khi các trực kiện ứng cử được thêm vào vế phải của mệnh đề, chúng ta cần đảm bảo rằng chúng không gây ra đệ quy vô hạn. Ví dụ, nếu R(A, B) là một quan hệ, định nghĩa như sau phải được tránh R(A, B) ← R (B, A). FOCL cải

Phạm Thị Thương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 49 - 54

54

tiến tránh điều này bằng cách trực kiện R(W1, W2, ...Wk) được thêm vào vế trái của R(V1, V2, ...Vk) chỉ khi Wi < Vi với ít nhất một đối số Vi. Ràng buộc này đủ để tránh rủi ro vô hạn khi có một lời gọi đệ quy trong khái niệm, nhưng khi có hai hoặc nhiều hơn các lời gọi đệ quy thì dễ dẫn đến đệ quy vô hạn. Ví dụ quan hệ R(A, B) = R(A-1, B+1) + R(A+1, B-1) sẽ dẫn đến đến rủi ro vô hạn.

THẢO LUẬN

Bài báo này đã trình bày đề xuất của nhóm tác giả về một cải tiến FOCL nhằm tránh rủi ro thuật toán học không dừng do đệ quy vô hạn gây ra. Kết quả thực nghiệm đã minh chứng điều này. Có thể phát triển kết quả trên theo hướng tránh rủi ro này khi học khái niệm đệ quy phức tạp chứa các hàm trong đối số.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO [1]. Aha, D.W., Lapointe, S., Ling, C.X., Matwin, S, (1994), Learning recursive relations with randomly selected small training sets. Proc. 11th Int. Conf. on Machine Leraning, 12-18

[2]. Boström, H.: Specialization of recursive predicates. In Lavrac, N., Wrobel, S. (eds.): Machine Learning ECML-95. Lecture Notes Aritificial Intelligence, Vol. 912. Springer-Verlag, Berlin(1995) 92 - 106 [3]. Cameron- Jones, R.M., and Quinlan, J.R (2006.). Avoiding pitfalls when learning recursive theories. Available by anonymous ftp from 129.78.8.1, file pub/recurse.tex. [4]. Dawn, E., and Holmes., LakhmiC.Jain (Eds), (2006). Innovations in Machine Learning, Vol 194. ISBN 3-540-30609-9 [5]. Floriana Esposito, Donato Malerba, and Francesca A. Lisi (2000): Induction of Recursive Theories in the Normal ILP Setting: Issues and Solutions. In J. Cussens and A. Frisch (Eds): ILP 2000, LNAI 1866, pp. 93-111, 2000. Springer-Verlag Beilin Heidelberg [6]. Mitchell, T.M.: Machine learning. McGraw-Hill (1997). [7]. Michael Pazzani, Dennis Kibler; The Utility of Knowledge in Inductive Learning: Machine Learning, 9, 57-94 (1992); [8]. Nguyễn Đình Thúc, Máy học; NXB Lao động – Xã hội; 2002; [9]. Đinh Mạnh Tường; Trí tuệ nhân tạo; NXB Khoa học và Kỹ thuật; 2002.

SUMMARY IMPROVING THE FOCL IN LEARNING RECURSIVE THEORIES

Pham Thi Thuong∗, Ngo Thi Lan, Nguyen Lan Oanh 1 College of Information and Communication Technology - TNU

The FOCL is the algorithm to learn first – order locgic theories which proposed by Pazzani, Brunk Silverstein, 1991; Pazzani and Kibler, 1992 [3]. However the problems which learning multiple recursive theories can lead to the infinite recursion. In this paper, we proposed the improvement for the FOCL to avoid the pitfall when learning the recursive theories. The improvement is performed in the way adding recursive constrains which Avoiding pitfalls when learning recursive theories to FOCL. We give these constrains to prevent the FOCL choosing literals which lead to the risk. The results show that the improved FOCL have had the advance. Key words: First Order Combined Learner, infinite recursion, Recursive theories, literal, negative literal, predicate, targed predicate, extended predicate, clause, Horn clause, muilti clause, tupe, domain knowledge, training data set.

∗ Tel: 0912 838646, Email: tn.univer@gmail.com

Phùng Thị Thu Hiền và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 55 - 60

55

XỬ LÝ DỮ LIỆU THIẾU TRONG KHAI PHÁ D Ữ LIỆU

Phùng Thị Thu Hiền1*, Phùng Trung Nghĩa2 ,Đoàn Xuân Ngọc3

1Trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH TThái Nguyên 2Japan Advanced Institute of Science and Technology, 3Cục Thuế tỉnh Thái Nguyên

TÓM TẮT

Thông tin đóng một vai trò rất quan trọng trong cuộc sống. Sự phát triển của nhiều lĩnh vực nghiên cứu phụ thuộc vào khả năng phát hiện tri thức trong các cơ sở dữ liệu lớn. Các nhà khoa học trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau đã phát triển các phương thức để phân tích dữ liệu từ đó thu được thông tin có ích. Các phương thức này phụ thuộc vào dữ liệu và yêu cầu của người sử dụng. Thật không may, các phương thức truyền thống thường không tương ứng với dữ liệu thực do sự mất mát dữ liệu hoặc dữ liệu sai. Các giá trị thiếu gây ra: - Giảm chất lượng của các luật phân lớp sinh bởi hệ thống khai phá dữ liệu. - Ảnh hưởng tới chất lượng của các luật thu được từ hệ thống khai phá dữ liệu. - Gây khó khăn cho việc rút ra thông tin có ích từ tập dữ liệu. Giải quyết vấn đề của dữ liệu thiếu là vấn đề quan trọng trong khai phá dữ liệu và khám phá tri thức. Việc thay thế các giá trị thiếu bởi một giá trị cụ thể mà không ảnh hưởng tới chất lượng của dữ liệu. Bài báo đưa ra bốn mô hình tiêu biểu để giải quyết vấn đề thiếu dữ liệu và cuối cùng là thảo luận về kết quả, so sánh và đưa ra kết luận. Từ khóa: Khai phá dữ liệu (Data mining), Dữ liệu thiếu (missing data).

∗ ĐẶT VẤN ĐỀ

Sự gia tăng của kích thước dữ liệu và số lượng cơ sở dữ liệu hiện nay vượt qua khả năng của con người để phân tích dữ liệu, do vậy vấn đề quan trọng là cần rút ra tri thức từ các cơ sở dữ liệu. Cơ sở dữ liệu Y học chứa lượng thông tin lớn về bệnh nhân và điều kiện Y tế của họ. Những mối quan hệ và những mô hình bên trong dữ liệu này đã có thể cung cấp tri thức y học mới. Phân tích dữ liệu y tế thường liên quan đến cách xử lý của tri thức không đầy đủ, với việc quản lý các phần thông tin trái ngược nhau và với các mức độ khác nhau của dữ liệu. Các kỹ thuật để phân tích dữ liệu chính hiện nay dựa trên các giả định khá mạnh (một vài tri thức về sự phụ thuộc, xác suất phân loại, các cuộc thử nghiệm), không thể thu được các kết luận từ tri thức không đầy đủ, hoặc không thể quản lý các mẩu thông tin trái ngược nhau. Hầu hết các kỹ thuật thông minh sử dụng trong các phép phân tích dữ liệu y tế là sử dụng mạng neura, phân lớp Bayessian, các thuật toán di truyền, cây quyết định, lý thuyết mờ. Nghiên cứu về khai phá dữ liệu giúp phân tích dữ liệu ∗ Tel: 0986 060545, Email: pthientng@gmail.com

và khám phá tri thức mới. Mục tiêu là tạo ra một mô hình đơn giản. Các kiến thức khám phá đã được áp dụng vào cơ sở dữ liệu thực tế trong y học, thiên văn học, thị trường chứng khoán và nhiều lĩnh vực khác. Các dữ liệu thu được cho thấy thực tế không kiểm soát được mọi thứ, do sự chồng lấp và nhiều phần giống nhau cùng tồn tại. Các mô hình có độ bất định: Nếu A thì B với độ bất định C. Có nhiều phương pháp để thu được các mô hình như đã đề xuất, bao gồm Gaines và Shaw trong [2], Quinlan trong [3], Clark và Niblet trong [4], Pawlak trong [6].

Bài báo đưa ra bốn mô hình tiêu biểu để xử lý giá trị thiếu, phân tích, so sánh ưu nhược điểm của các phương pháp.

PHÂN LOẠI CÁC TRƯỜNG HỢP THIẾU GIÁ TRỊ

Một vấn đề phổ biến, thách thức trong khai phá dữ liệu và nghiên cứu khám phá tri thức là độ nhiễu của dữ liệu [5]. Trong một cơ sở dữ liệu lớn hoặc tập dữ liệu, nhiều giá trị có thể không chính xác hoặc có lỗi. Điều này có thể do lỗi dụng cụ đo không chuẩn hoặc do con người khi nhập dữ liệu. Có hai dạng cơ bản được mô tả dưới đây:

Tạ Thị Kiều Oanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 61 - 65 `

56

Các giá trị không chính xác

Đôi khi một vài giá trị trong quá trình huấn luyện bị thay đổi. Điều này có thể do một hoặc nhiều bộ dữ liệu mâu thuẫn với các luật đã được thiết lập. Hệ thống này có thể liên quan đến các giá trị nhiễu và bỏ qua chúng. Vấn đề là không bao giờ biết được các giá trị nhiễu là chính xác hay không và thách thức là làm thế nào để xử lý các giá trị không bình thường một cách tốt nhất.

Các giá trị bị thiếu

Một hoặc nhiều giá trị có thể bị thiếu trong quá trình huấn luyện và phân lớp. Dữ liệu thiếu có thể xảy ra do không thể lưu lại khi mà dữ liệu đã được tập hợp, hoặc bị bỏ qua do người sử dụng. Nếu các thuộc tính bị thiếu trong quá trình huấn luyện, hệ thống cũng có thể bỏ qua đối tượng hoàn toàn, cố gắng đưa nó vào quá trình tính toán, ví dụ tìm những thuộc tính thiếu nhiều nhất, hoặc sử dụng giá trị thiếu “missing”, chưa biết “unknown”, hoặc “null” như là một giá trị riêng cho thuộc tính này. Giải pháp đơn giản nhất là loại bỏ đi các giá trị dữ liệu bị thiếu. Một giải pháp khó hơn là cố gắng xác định các giá trị thiếu này.

CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ GIÁ TRỊ THIẾU

- Bỏ qua bộ dữ liệu: cách này thường được thực hiện khi thiếu nhãn lớp hoặc bộ dữ liệu chứa nhiều thuộc tính có các giá trị thiếu.

- Sử dụng một hằng số chung: Thay thế tất cả các giá trị thiếu bởi một hằng như là “missing”, “unknown”, “_”, “?”

- Sử dụng thuộc tính trung bình: Sử dụng thuộc tính trung bình cho tất cả các mẫu trong lớp giống nhau: ví dụ, nếu phân loại khách hàng theo credit_risk (bảo hiểm tín dụng), thay thế các giá trị thiếu bằng giá trị trung bình của các khách hàng trong cùng một loại credit risk.

- Sử dụng các giá trị có tần xuất xuất hiện nhiều nhất: kỹ thuật này thích hợp khi các giá trị thiếu ít. Khó khăn xuất hiện nếu bộ dữ liệu chứa nhiều hơn một giá trị thuộc tính thiếu.

CÁC THUẬT TOÁN XỬ LÝ

Trước tiên ta cần loại bỏ nhiễu ở dữ liệu gốc, loại bỏ tất cả các bộ dữ liệu có cùng các thuộc

tính điều kiện và khác nhau về thuộc tính phân lớp. Điều này giúp nâng cao hiệu quả, giúp loại bỏ tất cả các trường hợp nghi ngờ. Tiến hành thiết kế các cuộc thử nghiệm để kiểm tra lại mô hình nào tốt nhất để thay thế các giá trị thiếu, tạo ra phạm vi hoạt động cao nhất của bộ dữ liệu. Coverage mô tả tỷ lệ phân lớp đối tượng. Sử dụng nhiều luật phân lớp sẽ tốn thời gian, cho nên cần giảm số lượng luật phân lớp. Một số thử nghiệm của hệ thống sử dụng hệ thống RSES – Rough Set Exploration System. HSV và tập dữ liệu heart disease được lấy từ kho dữ liệu UCI. Cả hai tập dữ liệu không chứa dữ liệu thiếu. Tập dữ liệu HSV chứa 122 bộ dữ liệu trong khi tập dữ liệu heart disease có 270 bộ dữ liệu. Để tạo dữ liệu thiếu, ta xóa một vài giá trị từ tập dữ liệu gốc. Tập dữ liệu HSV mới có 63 bộ dữ liệu với các giá trị thiếu biến đổi từ 1 tới 9 giá trị thiếu. Tập dữ liệu heart disease mới chứa 81 bộ dữ liệu thiếu với các giá trị biến đổi giữa 1 và 2 giá trị thiếu. Bốn tập dữ liệu khác được ra từ mỗi tập dữ liệu gốc. Mỗi tập dữ liệu được mô tả như sau:

DS1: Thay thế các giá trị thiếu bằng hằng “Missing” . Quá trình thay thế được thực hiện qua mô hình 1 được mô tả bằng thuật toán 1. Hằng chung “missing” miêu tả các giá trị chưa biết trong tập dữ liệu.

Thuật toán 1

Dự đoán các giá trị thiếu

Thừa nhận bảng quyết định T = (U,C,D,V).

Với mỗi thuộc tính chứa dữ liệu thiếu thực hiện thay thế dữ liệu thiếu bằng giá trị “Missing”

Kết thúc.

T là tập dữ liệu không có các giá trị thiếu

Độ phức tạp của thuật toán là O(n) nên đây là thuật toán đơn giản.

DS2: Thay thế các giá trị thiếu bằng các giá trị trung bình trong tập dữ liệu. Quá trình thay thế được thực hiện qua mô hình 2,3 với thuật toán 2, 3

Thuật toán 2

Dự đoán các giá trị thiếu

Thừa nhận bảng quyết định T=(U,C,D,V)

Phùng Thị Thu Hiền và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 55 - 60

57

Với mỗi thuộc tính có chứa dữ liệu thiếu thực hiện

Tìm giá trị trung bình X

Thay thế dữ liệu thiếu bằng giá trị trung bình

Kết thúc

T là tập dữ liệu không chứa giá trị thiếu

Độ phức tạp của thuật toán là O(n) nên nó cũng là thuật toán đơn giản.

Thuật toán 3

Dự đoán các giá trị thiếu

Chấp nhận bảng quyết định T=(U,C,D,V).

Chia bảng quyết định theo chiều ngang thành các tập con: T1=(U1,C,D1,V), T2=(U2,C,D2,V), …, Tn=(Un,C,Dn,V) với U=(U1,U2,…,Un) và D=(D1,D2, …, và Dn).

Với mỗi tập con thực hiện

Với mỗi thuộc tính có chứa dữ liệu thiếu

Thực hiện

Tìm giá trị trung bình X

Thay thế giá trị thiếu bằng giá trị trung bình

Kết thúc 1

Kết thúc 2

T1, T2, …, Tn là tập con không chứa giá trị thiếu.

Độ phức tạp của thuật toán là O(n2) nên nó tốn thời gian hơn để hoàn thành.

Hình 1. Mô hình 3

Hình 2. Mô hình dự đoán giá trị thiếu và kiểm tra bằng việc sử dụng các nhân tố khác. DS là viết tắt

của Data Set và M viết tắt của Model

Bảng 1. Số lượng luật, số lượng reducts, và độ che phủ của tập dữ liệu HSV, N mô tả số lượng mẫu

ban đầu.

Tên tập dữ liệu

Tỷ lệ bao phủ

(%)

Số lượng luật

Số lượng

reducts

HSV1 73 1070 78

HSV2 93.4 1400 57

HSV3 95.1 1332 41

HSV4 93.7 707 39

Bảng 2. Số lượng luật, số lượng reduct và độ che phủ của tập dữ liệu Heart Disease, N miêu tả số

lượng mẫu ban đầu

Tên tập dữ liệu

Tỷ lệ bao phủ

(%)

Số lượng luật

Số lượng

reducts

Heart_Disease1 93 4803 109

Heart_Disease2 97 5189 89

Heart_Disease3 96.7 5009 91

Heart_Disease4 98.4 3173 86

Tạ Thị Kiều Oanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 61 - 65 `

58

DS4:Mô tả tập dữ liệu mà bỏ đi tất cả các mẫu chứa các giá trị thiếu. Quá trình loại bỏ được thực hiện qua mô hình 4 với thuật toán 4 Thuật toán 4 Dự đoán các giá trị thiếu Thừa nhận bảng quyết định T=(U,C,D,V) Lặp : Với mỗi bộ dữ liệu thiếu xóa bộ dữ liệu đó Kết thúc. T là tập dữ liệu không có giá trị thiếu. Độ phức tạp của thuật toán là O(n) nên nó là thuật toán đơn giản. Sau khi thay thế, kiểm tra lại độ mâu thuẫn một lần nữa. Các giá trị mới thay thế có thể là nguyên nhân gây mâu thuẫn do nó không phải là một quá trình hoàn chỉnh. Bỏ qua tất cả các bộ dữ liệu có thuộc tính dự đoán giống nhau và các thuộc tính dự đoán khác nhau. Điều này có thể làm giảm quá trình huấn luyện mẫu dữ liệu nhưng độ chính xác kết quả huấn luyện sẽ tăng lên. Sự thật là quá trình huấn luyện tập dữ liệu đã giảm thiểu sai sót sẽ cho kết quả tốt hơn trường hợp tập dữ liệu có nhiều sai sót. Điều này được mô tả trong hình 2, nó mô tả tất cả các bước dự đoán, bỏ đi giá trị lỗi. Việc kiểm tra mô hình thực hiện bằng 3 nhân tố trong hình 2. ĐÁNH GIÁ Bàng 1 và 2 tóm tắt lại số lượng các luật, sự thay đổi và tỷ lệ che phủ. Được tạo ra từ một trong bốn mô hình đã được thiết kế trước đó. So sánh đầu tiên là thực hiện theo thứ tự để xác định mô hình nào là tốt nhất, cho độ che phủ cao nhất. Với tập dữ liệu HSV, tỷ lệ che phủ là cao như trong mô hình 3, 95.1%. mô hình 4 đưa ra kết quả tiếp theo, 93.7 %. Ở vị trí thứ 3, mô hình 2 cho tỷ lệ che phủ là 93.4%. Mô hình kém nhất là mô hình 1, cho tỷ lệ che phủ là 73%. Khi sử dụng tập dữ liệu heat disease, tỷ lệ che phủ của mô hình 1, 2, 3 ,4 là 93, 97, 96.7, 98.4%. Tỷ lệ che phủ tốt nhất là tại mô hình 4, mô hình bỏ đi tất cả các bộ dữ liệu thiếu. Mô hình tồi nhất là mô hình sử dụng hằng toàn cục “missing”. Mô hình 3 đứng thứ 3, mô hình 2 đứng vị trí thứ 2. Kết luận cuối cùng là mô hình 1 có độ che phủ kém nhất trong cả hai tập dữ liệu: HSV và heat disease. Các mô hình khác cho kết quả không ổn định và các kết quả là gần giống nhau. Điều này có

thể kết luận rằng không có mô hình nào là tốt nhất để giải quyết vấn đề các giá trị thiếu đối với mọi tập dữ liệu. Việc chọn lựa một mô hình thích hợp cho tập dữ liệu phụ thuộc vào tập dữ liệu mà chúng ta muốn nghiên cứu. Với tập dữ liệu HSV nên dùng mô hình thứ 3 để phân lớp. Với tập dữ liệu heart disease nên dùng mô hình thứ 4. Trong hai thí nghiệm và 4 mô hình, mô hình 4 cho số lượng luật phân loại nhỏ nhất (707). Tức là mô hình này là tốt nhất trong 4 mô hình. Mô hình tốt thứ 2 là mô hình 1, tạo ra 1070 luật. Mô hình 3 đứng thứ 3 với 1332 luật. Cuối cùng là mô hình 2 với 1400 luật. So sánh thứ 3 tập trung vào số lượng reduct mà mỗi mô hình tạo ra. Có hai điểm khác nhau. Thứ nhất, một lượng lớn reduct được tạo ra là được ưa thích nhất bởi vì một lượng lớn reduct sẽ cho một miền reduct rộng để sử dụng. Sự khác nhau của các reducts giúp người sử dụng chọn lựa reduct tốt nhất. Nếu đây là trường hợp, mô hình 1 là mô hình tốt nhất trong cả hai lần thí nghiệm và nó tạo ra 78 reduct từ tập dữ liệu HSV và 109 từ tập dữ liệu heat disease. Mô hình 3 là sự lựa chọn tốt thứ 2 cho tập dữ li ệu heat disease và tạo ra 91 reduct. Mô hình 2 là sự lựa chọn tốt thứ 2 cho tập dữ li ệu HSV và tạo ra 57 reduct. Vị trí thứ 3 trong tập dữ liệu heat disease là sử dụng mô hình thứ 2, tạo ra 89 reducts. Vị trí thứ 3 với tập HSV là mô hình 3, tạo ra 41 reduct. Lựa chọn cuối cùng của cả hai tập dữ liệu là mô hình 4, tạo ra 39 reducts từ tập dữ liệu HSV và 86 reduct từ tập dữ liệu heart disease. Mô hình 4 được ưu tiên cuối cùng vì lý do kích cỡ mới của tập dữ liệu này. Sau khi xóa đi tất cả các mẫu có chứa giá trị thiếu, tập dữ liệu sẽ có kích cỡ nhỏ hơn và điều này có thể ảnh hưởng đến nhiều mối quan hệ trong tập dữ liệu đặc biệt là nếu nhiều mẫu liên quan bị xóa. Điểm thứ hai cần xem xét là mô hình tốt nhất là mô hình tạo ra số lượng reduct nhỏ hơn. Với quan điểm xem xét rằng thời gian là một yếu tố quan trọng. Thời gian tính toán của việc tạo ra reduct được giảm thiểu. Nói cách khác, số lượng tính toán và so sánh trong tập dữ liệu được giảm thiểu.

Phùng Thị Thu Hiền và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 55 - 60

59

Hình 3. Mối quan hệ của bốn loại của tập dữ liệu

và tỷ lệ che phủ

Hình 4. Mối quan hệ giữa bốn loại của tập dữ liệu

và số lượng luật được tạo ra

Hình 5. Mối quan hệ giữa bốn loại của tập dữ liệu

và số lượng reduct được tạo ra Kết quả của điều này ngược với điểm đã xem xét đầu tiên. Mô hình 4 là tốt nhất trong cả hai tập dữ liệu, tiếp theo là mô hình 2 của tập dữ liệu heart disease và mô hình 3 của tập dữ liệu HSV. Đứng thứ 3 là mô hình thứ 3 của tập dữ liệu heart disease, và là mô hình 2 với tập dữ liệu HSV. Lựa chọn cuối cùng là mô hình thứ nhất với cả hai tập dữ liệu HSV và heart disease. Mối quan hệ giữa các tập dữ liệu khác nhau và sự ước lượng các nhân tố được thể hiện trong hình 3 – 5. Hình 3 thể hiện mối quan hệ giữa các tập dữ liệu và tỷ lệ phần

trăm che phủ. Hình 4 thể hiện mối quan hệ giữa các tập dữ liệu khác nhau và số lượng các luật được tạo ra từ mỗi tập. Hình 5 thể hiện mối quan hệ giữa bốn loại khác nhau của tập dữ liệu và số lượng các reduct. Đường nằm trên mô tả tập dữ liệu heart disease trong khi đường nằm dưới mô tả tập dữ liệu HSV. Khoảng cách giữa các đường hoặc khoảng cách giữa các điểm tương ứng trên đường mô tả sự khác nhau của các giá trị đo được giữa các nhân tố khác nhau, tỷ lệ che phủ ở hình 3, số lượng luật ở hình 4, số lượng reduct ở hình 5. KẾT LUẬN Bài báo nghiên cứu về bốn mô hình khác nhau của xử lý giá trị thiếu. Khi áp dụng khai phá dữ liệu vào thế giới thực, việc nghiên cứu từ một tập dữ liệu không đầy đủ là một điều không thể tránh được. Cần có các giải pháp để xử lý các giá trị thiếu. Tuy nhiên các kỹ thuật để dự đoán các giá trị thiếu cần phải không chứa nhiễu. Hai thí nghiệm được đưa ra để kiểm tra hiệu quả của các chiến lược thay thế dữ liệu khác nhau bằng tỷ lệ che phủ, số lượng luật, số lượng reduct được tạo ra từ mỗi tập dữ liệu. Tỷ lệ phần trăm che phủ là tốt nhất với mô hình 3 với tập dữ liệu HSV. Nó là tốt nhất ở mô hình 4 với tập dữ liệu heart disease. Điều này cho thấy các tập dữ liệu khác nhau có thể cần sử dụng các mô hình khác nhau để thu được kết quả tốt nhất. Điền đầy các giá trị thiếu là một điều phức tạp và cần nghiên cứu cẩn thận. Kết quả thí nghiệm cho thấy mô hình tốt nhất tạo ra số lượng lớp luật nhỏ nhất là mô hình bỏ đi các mẫu chứa giá trị thiếu mà không chú ý tới kích thước tập dữ liệu. Nếu ưu tiên số lượng reduct nhỏ nhất thì mô hình tốt nhất cũng là mô hình bỏ đi các mẫu chứa giá trị thiếu. Và nếu ưu tiên dựa vào số lượng lớn nhất các reduct, thì thay thế các giá trị thiếu bằng hằng toàn cục “missing” là lựa chọn tốt nhất. Nghiên cứu này kết luận rằng mô hình tốt nhất để xử lý các giá trị thiếu là phụ thuộc vào nhiệm vụ thực hiện như hai trường hợp nghiên cứu trong bài báo này.

Tạ Thị Kiều Oanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 61 - 65 `

60

TÀI LI ỆU THAM KHẢO [1]. Đoàn Xuân Ngọc (2000) Luận văn cao học, Xử lý giá trị thiếu, , Đại học Thái Nguyên T11. [2]. Gaines, B.R. and M.L.G. Shaw, (1986) Introduction of inference rules for expert systems. Fuzzy Setand Syustems, 18: 315-328. [3]. Quinlan, J.R., (1987) Generating production rules from decision trees. Proc. Tenth Intl. Joint Conf. Artificial Intelligence, pp: 304 –307, Menlo Park, Calif.

[4]. Clark, P. and T. Niblett, (1989). The CN2 induction algorithm. Machine Learning, 3: 261-283. [5]. Al-shalabi, L., R. Mahmod., A. Abdulghani and M. Yazid, (1999). Data mining: An overview. World Engineering Congress (WEC’99), Kuala Lumpur, Malaysia.

[6]. Pawlak, Z., (1982). Rough Sets. Intl J. Computer and Information Sci., 11: 341-356.

SUMMARY TREATMENT OF MISSING DATA IN DATA MINING

Phung Thi Thu Hien1∗, Phung Trung Nghia2 , Doan Xuan Ngoc3

1 College of Technology - TNU

2Japan Advanced Institute of Science and Technology, 3Thai Nguyen Tax Department

Information is very important in our life. Development in many research fields depend on the ability of discovering knowledge in big databases. Scientists from different research areas have developed methods to analyze data and to extract useful information. These methods depending on the data and on user requirements. Effect of missing data: missing data effect of the quality of classification rules generated by a data mining system, the quatity of classification rules achieved by the data mining system, take to the difficulty of extracting useful information from that data set. Treatment of missing data is very important in data mining. This paper presents four techniques to deal missing value. Key words: Data mining, missing data

∗Tel: 0986 060545, Email: pthientng@gmail.com

Tạ Thị Kiều Oanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 61 - 65

61

THI ẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐẾM SẢN PHẨM SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHI ỂN 8051

Tạ Thị Ki ều Oanh

Trường Đại học Sư phạm – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT Trong bài báo này, chúng tôi trình bày về việc thiết kế, chế tạo bộ đếm sản phẩm sử dụng vi điều khiển 8051. Sơ đồ của bộ đếm được thiết kế gồm đầy đủ các khối từ khối nhận tín hiệu vào, xử lý tín hiệu, lấy tín hiệu từ khối xử lý trung tâm đưa ra hiển thị kết quả đếm trên Led 7 thanh. Trong đó, vi điều khiển 8051 là khối xử lý trung tâm đảm nhận nhiệm vụ xử lý tín hiệu, chống nhiễu, đếm và giải mã kết quả đếm. Khả năng ứng dụng và độ tin cậy của bộ đếm đã được khẳng định bằng mạch điện thực nghiệm. Từ khóa: Bộ đếm sản phẩm, vi điều khiển 8051, giải mã hiển thị, chế tạo, mạch điện thực nghiệm.

∗ ĐẶT VẤN ĐỀ

Tự động đếm số lượng trong các dây truyền sản xuất tự động, bãi đỗ xe tự động, các cửa hàng, siêu thị …. là một khâu quan trọng để thực hiện quá trình tự động hóa. Vì vậy, việc xây dựng một bộ đếm sản phẩm có tính linh hoạt mang khả năng ứng dụng cao.

Có nhiều phương pháp để xây dựng bộ đếm sản phẩm, một phương pháp đơn giản là sử dụng phần tử nhớ nhị phân trigger, tuy nhiên khi số sản phẩm cần đếm lớn hoặc cần thay đổi linh hoạt thì mạch đếm sử dụng phần tử nhớ sẽ trở nên phức tạp, thậm chí không thực hiện được. Khi đó, vi điều khiển được sử dụng làm phần tử trung tâm. Với sự linh hoạt và khả năng lập trình cao không những nó có thể thay thế cho trigger thực hiện chức năng đếm mà còn thực hiện cả nhiệm vụ giải mã kết quả đếm sang mã led 7 thanh để đưa ra hiển thị. Với việc tìm hiểu về vi điều khiển AT 89C51[1,2], phương pháp thiết kế bộ đếm, mạch giải mã, hiển thị[3,4,5], các mạch điện tử ứng dụng, linh kiện điện tử[6,7,8,9], ứng dụng của vi điều khiển trong một số mạch điện[10],

chúng tôi đã nghiên cứu và chế tạo được một bộ đếm sản phẩm sử dụng vi điều khiển họ 8051 với khối nhận tín hiệu vào bằng chuyển hóa cơ khí có xử lý nảy xung bằng phần mềm, hiển thị kết quả đếm bằng led 7 thanh theo phương pháp đưa dữ liệu trực tiếp qua bộ đệm dữ liệu và khuếch đại công suất. Mô hình mạch điện thật đã được chế tạo và thử nghiệm

∗ Tel:

thành công, đề tài hứa hẹn những ứng dụng trong việc tự động đếm số lượng sản phẩm trong khâu đóng gói trên các dây truyền tự động, bãi đỗ xe tự động và nhiều ứng dụng khác.

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐẾM SẢN PHẨM

Sơ đồ bộ đếm

Sơ đồ cấu trúc của bộ đếm

Hình 1. Sơ đồ cấu trúc của bộ đếm

Khối nhận tín hiệu vào

Khi có một sản phẩm đi qua, khối này thực hiện nhiệm vụ của một cảm biến, nhận biết sản phẩm và chuyển thành tín hiệu điện đưa vào khối xử lý trung tâm. Có nhiều phương pháp để nhận biết sản phẩm như sử dụng chuyển hóa cơ khí, sử dụng điôt hồng ngoại hay sóng siêu âm.

a) Mạch dùng điốt hồng ngoại

Hình 2. Mạch nhận tín hiệu vào

Tạ Thị Kiều Oanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 61 - 65 `

62

b) Mạch dùng chuyển hóa cơ khí

Phương pháp sử dụng chuyển hóa cơ khí có ưu điểm hơn các phương pháp khác ở sự đơn giản và khả năng chống nhiễu tốt, ở phương pháp này hiện tượng nảy xung vẫn thường xuyên diễn ra, song điều này lại dễ dàng khắc phục được bởi một mạch điện phần cứng đơn giản là sử dụng một tụ điện có dung lượng phù hợp nối song song với chuyển mạch cơ khí hay bởi một số các câu lệnh trong phần mềm viết cho vi điều khiển.

Khối xử lý trung tâm

Khi dữ liệu từ khối nhận tín hiệu đưa tới đầu vào khối xử lý trung tâm, khối sử lý trung tâm sẽ làm nhiệm vụ đọc, xử lý dữ liệu và đưa dữ liệu đã xử lý ra khối hiển thị thông qua một bộ đệm dữ liệu và bộ đệm công suất. Toàn bộ hoạt động của khối này được thực hiện bởi vi điều khiển 8051.

Khi dữ liệu được đưa vào vi điều khiển bởi chân P3.3, vi điều khiển làm nhiệm vụ đếm sản phẩm, giải mã kết quả và đưa ra các chân của cổng P0 (P0.1, P0.2,…, P0.7), cổng P1 (P1.0, P1.1,…, P1.7), cổng P2 (P2.0, P2.1,… ,P2.7).

- Cổng P0 ( từ P0.1, P0.2,…, P0.7): đưa dữ liệu hiển thị chữ số hàng trăm.

- Cổng P1 (từ P1.0, P1.1,…, P1.7): đưa dữ liệu hiển thị chữ số hàng chục.

- Cổng P2 (từ P2.0, P2.1,… ,P2.7): đưa dữ liệu hiển thị chữ số hàng đơn vị.

Chức năng các chân này thì có thể thay đổi được tùy vào người thiết kế.

Khối hiển thị

Số lượng sản phẩm đếm được hiển thị trên Led 7 thanh. Các Led 7 thanh sẽ nhận dữ liệu là kết quả đếm đã được xử lý và giải mã sang mã hiển thị. Có nhiều phương pháp đưa dữ

liệu từ vi điều khiển ra khối hiển thị như phương pháp đưa dữ liệu trực tiếp, phương pháp chốt dữ liệu, phương pháp quét động.

Phương pháp chốt dữ liệu và phương pháp quét động có ưu điểm là tiết kiệm tài nguyên của vi điều khiển, tuy nhiên chúng lại có hạn chế về tốc độ tác động, độ sáng của Led và sự phức tạp của mạch điện phần cứng và phần mềm. Hơn nữa, trong đề tài này vi điều khiển chỉ thực hiện nhiệm vụ đếm sản phẩm với dải đếm từ 0 đếm 999 sản phẩm, nên lựa chọn phương pháp đưa dữ liệu trực tiếp để hiển thị là phương pháp tối ưu. Theo phương pháp này, khối hiển thị được thiết kế sử dụng 3 led 7 thanh Katốt chung được nối với các chân của các cổng P0, P1, P2 của vi điều khiển thông qua bộ đệm dữ liệu 74245 và bộ đệm công suất 2803.

a)

b)

c)

Hình 3. Các phương pháp đưa dữ liệu từ vi điều khiển ra khối hiển thị

a) Phương pháp quét động;

Tạ Thị Kiều Oanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 61 - 65

63

b) Phương pháp chốt dữ liệu; c) Phương pháp đưa dữ liệu trực tiếp.

Khối cấp nguồn một chiều

Các phần tử trong bộ đếm đều sử dụng nguồn nuôi là nguồn điện 1 chiều 5V hoặc 12V, đây là các nguồn một chiều đã được chế tạo phổ biến, vì vậy đề tài không tiến hành chế tạo bộ nguồn riêng mà sử dụng các bộ nguồn sẵn có để cung cấp cho bộ đếm.

Từ việc thiết kế các khối như trên, chúng tôi đã thiết kế được sơ đồ của bộ đếm như hình 4.

Chế tạo mạch điện thực nghiệm

Gồm 2 phần thi công phần cứng và viết chương trình phần mềm

Thi công phần cứng

Trên cơ sở mạch điện đã thiết kế, quá trình thi công phần cứng mạch điện gồm các quá trình: Lựa chọn, bố trí linh kiện, vẽ sơ đồ mạch in.

Sử dụng phần mềm vẽ mạch Protel phiên bản 99SE thực hiện vẽ mạch in. Phần mềm Protel có khả năng chuyển tự động từ sơ đồ mạch nguyên lý sang sơ đồ mạch in, tự động sắp xếp linh kiện và đi dây đường mạch tuy nhiên đây là mạch điện tương đối đơn giản và ít linh kiện do đó có thể thực hiện sắp xếp linh kiện và đi dây thủ công.

Sau khi vẽ mạch in, có thể thi công mạch in bằng nhiều phương pháp, trong đề tài này sử dụng phương thức làm mạch in thủ công, các bước tiến hành như sau:

+ In bản mạch lên phiến mạch phip đồng

+ Chỉnh sửa bản in và thực hiện ăn mòn trong dung dịch FeCl3.

+ Khoan mạch

+ Gắn linh kiện

+ Hàn linh kiện

+ Kiểm tra đo thử.

Hình 4. Sơ đồ nguyên lý của bộ đếm sản phẩm sử dụng vi điều khiển 8051

Tạ Thị Kiều Oanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 61 - 65 `

64

Hình 5. Sơ đồ mạch in

Sơ đồ bố trí các linh kiện

Hình 6. Sơ đồ bố trí các linh kiện trong mạch

Hình 7. Ảnh chụp sản phẩm chế tạo thực nghiệm bộ đếm sử dụng vi điều khiển AT89C51 (bên trong và mặt trước bộ đếm)

Viết chương trình phần mềm

Chương trình phần mềm cho 8051 viết bằng ngôn ngữ assembly. Trên thực tế có nhiều phần mềm của nhiều hãng khác nhau có thể sử dụng để viết và dịch cho 8051 như BASCOM, KEIL…Trong để tài này sử dụng chương trình soạn thảo và hợp dịch C51EVAL.

Phần mềm C51EVAL là một phần mềm nhỏ gọn nhưng có đầy đủ các chức năng như soạn thảo, dịch ra file *.hex, chạy thử từng bước hoặc chạy thử toàn bộ. Khi thùc hiện quá trình hợp dịch thành công, ta có thể sử dụng phần mềm này mô phỏng quá trình thực thi của chương trình trước khi nạp chương trình vào chip vi điều khiển.

Tạ Thị Kiều Oanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 61 - 65

65

Sau khi dịch ra file Hexa, sử dụng mạch nạp chuyên dụng và phần mềm Proload để nạp chương trình vào vi điều khiển 8051.

Kết quả và đánh giá

Kết quả

Sau khi tìm hiểu bộ vi điều khiển 8051 về cấu trúc phần cứng, tập lệnh lập trình, tổ chức bộ nhớ, sơ đồ bố trí các chân ra, nhận thấy được việc ứng dụng 8051 để thiết kế bộ đếm sản phẩm có nhiều ưu điểm hơn hẳn so với dùng các linh kiện rời rạc khác. Từ đó đề tài đã thiết kế, chế tạo thực nghiệm thành công bộ đếm sản phẩm sử dụng vi điều khiển 8051. Bộ đếm làm việc tốt, linh hoạt, có độ tin cậy cao cho thấy khẳ năng ứng dụng trong nhiều vị trí làm việc khác nhau.

Đánh giá

Kết quả đạt được của đề tài đã đạt được mục tiêu đề tài đề ra. Mạch điện thực tế họat động tốt cho thấy khả năng ứng dụng của đề tài vào thực tiễn. Đề tài mới chỉ dừng lại ở những nghiên cứu ban đầu tuy nhiên những kết quả đạt được sẽ là cơ sở để thực hiện những nghiên cứu cao hơn.

KẾT LUẬN

Với việc sử dụng vi điều khiển làm phần tử trung tâm cho bộ đếm sản phẩm, mạch điện thực tế có kích thước nhỏ gọn, đơn giản, làm việc ổn định, tin cậy hơn rất nhiều so với bộ đếm sử dụng phần tử nhớ nhị phân Trigger. Hơn nữa, vi điều khiển là thiết bị có khả năng lập trình nên bộ đếm có tính linh hoạt cao, dễ

dàng thay đổi, mở rộng hệ số đếm để thay đổi số lượng sản phầm cần đếm.

Trên cơ sở những nghiên cứu trên đây, có thể mở rộng đề tài theo hướng trang bị thêm cho bộ đếm các tính năng như thiết lập trước các giá trị đếm, chức năng đếm tiến/lùi, mở rộng thêm khả năng hiển thị hoặc truyền thông như hiển thị trên màn hình LCD, giao tiếp và hiển thị trên máy tính…

Bộ đếm sản phẩm sử dụng vi điều khiển đang và sẽ là giải pháp khả thi cho các dây chuyền tự động, bãi đỗ xe tự động, các cửa hàng, siêu thị…góp phần tăng năng suất, hiệu quả và độ chính xác, giảm chi phí nhân công đáng kể trong thực tế.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1]. KS. Lê Thị Hồng Gấm, Bài giảng Kỹ Thuật Số, khoa Vật lý, ĐHSP Thái Nguyên. [2]. KS. Phạm Đình Bảo, (2004), Điện tử căn bản tập 1,NXB KHKT, Hà Nội. [3]. Lê Xuân Thế, (2005), Dụng cụ bán dẫn và vi mạch, NXB Giáo dục, Hà Nội. [4]. Nguyễn Thúy Vân, (2004), Giáo trình kĩ thuật số, NXB KHKT, Hà Nội. [5]. Ths. Lê Bá Tứ, (2008), Giáo trình môn học kĩ thuật điện tử, ĐHSP Thái Nguyên. [6]. Tống Văn On – Hoàng Đức Hải, (2006), Họ vi điều khiển 8051, NXB LĐXH, TP. Hồ Chí Minh. [7]. Trần Đức Tâm, (2010), Thiết kế hệ thống đèn nháy dòng chữ “KHOA VẬT LÝ”, đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên, ĐHSP – ĐHTN. [8]. TS. Đỗ Kim Bằng, (2005), 101 mạch ứng dụng điện tử - kĩ thuật số, NXB LĐXH, Hà Nội. [9]. TS. Nguyễn Viết Nguyên (2009) và cộng sự, Giáo trình linh kiện điện tử, NXB Giáo dục , Hà Nội. [10]. http:www.alldatasheet.com/datasheet.../AT89C51.html.

SUMMARY DESIGN AND CONSTRUCTION OF THE PRODUCT COUNTER USING MICROCONTROLLER 8051

Ta Thi Kieu Oanh∗

College of Education – Thai Nguyen University

In this articles we presented the design and construction of the product counter using microcontroller 8051. The diagram of this counter included signal input, signal processing and decoder for displaying on 7- segment LED. The main part of this design was microcontroller 8051 which played such roles as process, count, decode, anti-noise…The practicality and reliability of this design was confirmed by an experimental circuit. Key words: product counter, microcontroller 8051, decoder for displaying, construction, experimental circuit.

∗ Tel:

Tạ Thị Kiều Oanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 61 - 65 `

66

Tạ Minh Thanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 67 - 74

67

ĐỀ XUẤT XÂY DỰNG HỆ THỐNG CHIA SẺ TÀI NGUYÊN DỰA TRÊN HỆ LƯU TRỮ PHÂN TÁN VÀ KI ỂM SOÁT TRUY CẬP

Tạ Minh Thanh 1*, Nguyễn Hiếu Minh 1, Đỗ Thị Bắc2

1Học viện Kỹ thuât quân sự, 2 Trường Đại học Công nghệ thông tin và truyền thông

TÓM TẮT

Các hệ thống chia sẻ trên mạng hiện nay thường theo mô hình client-server. Do đó, các truy xuất dữ liệu trên mô hình này đều phụ thuộc vào hệ điều hành mạng hay server chia sẻ xong lại không đồng nhất trên nhiều phiên bản OS. Bên cạnh đó, một mô hình mạng chia sẻ Peer-to-Peer (P2P) không quan tâm đến quản lý người sử dụng và truy xuất dữ liệu lại đang phát triển mạnh mẽ dẫn đến một số vấn đề về tự do truy cập tài nguyên và vi phạm bản quyền sản phẩm. Trên cơ sở đó, bài báo đề xuất hệ thống chia sẻ tài nguyên mới dựa trên hệ lưu trữ phân tán kết hợp kiểm soát truy cập để khắc phục các vấn đề của các hệ thống chia sẻ hiện nay. Từ khóa: client - server, hệ thống chia sẻ tài nguyên, Peer-to-Peer, lưu trữ phân tán, kiểm soát truy cập.

∗ TỔNG QUAN

Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của internet với băng thông rộng như ADSL, FTTH, ... người dùng đầu cuối có thể trao đổi các sản phẩm multimedia dung lượng lớn dễ dàng và hiệu quả. Bên cạnh đó, sự ra đời của các thiết bị lưu trữ công nghệ cao, giá thành rẻ giúp người dùng có thể lưu trữ thuận tiện và có thể chia sẻ mọi lúc, mọi nơi các sản phẩm số qua internet. Chính vì có sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ mà nhu cầu trao đổi dữ liệu trong mạng của các tổ chức cũng đang ngày một tăng và có xu hướng bùng nổ.

Hiện nay, các hệ thống chia sẻ file hoạt động trên mạng network đã được biết đến rộng rãi. Mỗi hệ thống được tận dụng hiệu quả dựa trên các đặc điểm của hệ thống để quản lý người dùng hay quản lý dữ liệu được chia sẻ. Các hệ thống chia sẻ file hoạt động phụ thuộc vào hệ điều hành (OS: Operating System) như NFS, Netware, LAN Manager, ... được biết đến là các hệ thống có tổ chức chặt chẽ với quản lý phân quyền, chia sẻ đối với từng người dùng khi truy cập vào hệ thống nhưng phải có sự cho phép của server. Mặt khác, các hệ thống chia sẻ file mà không phụ thuộc vào OS,

∗ Email: taminhjp@gmail.com

hoạt động trên mô hình client-server được phát triển mạnh mẽ hơn cả. Hệ thống bao gồm hai phương thức chính: lợi dụng FTP server, HTTP server để chia sẻ file hoặc giao thức peer-to-peer (P2P) để mở rộng mạng lưới chia sẻ và sử dụng tài nguyên như Napster, Gnutella[1], Freenet[2], BitTorrent, Winny, ... Trái ngược với việc người dùng đầu cuối bị quản lý chặt chẽ bởi server trên các hệ thống chia sẻ file phụ thuộc OS, các hệ thống chia sẻ file không phụ thuộc OS không quản lý người dùng đầu cuối mà cung cấp một môi trường chia sẻ file tự do cho người dùng cuối khi truy cập vào mạng chia sẻ. Chính việc tự do trong sử dụng tài nguyên chia sẻ nên có nhiều vấn đề về quản lý truy cập tài nguyên bản quyền dẫn đến vi phạm bản quyền sản phẩm số, bản quyền phần mềm và bảo mật hệ thống.

Trước vấn đề trên, việc xây dựng một hệ thống chia sẻ tài nguyên thân thiện và dễ sử dụng như mạng P2P, đồng thời quản lý được việc truy xuất tài nguyên đối với người dùng đầu cuối là cần thiết. Nếu xây dựng hệ thống chia sẻ tài nguyên trong điều kiện các hệ thống OS khó thống nhất được như hiện nay mà vẫn đòi hỏi có sự quản lý về truy cập đối với người dùng cuối thì buộc phải sử dụng phương thức client-server. Tuy nhiên, nếu sử dụng mô hình client-server thì việc server

Tạ Minh Thanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 67 - 74

68

phải chịu tải lớn trong việc điều khiển truy cập, quản lý người dùng phức tạp, duy trì server, ... gặp nhiều khó khăn. Để giải quyết được các vấn đề gặp phải trong mô hình client-server, ta có thể sử dụng giao thức P2P để triển khai hệ thống chia sẻ tài nguyên; song khi sử dụng kỹ thuật P2P để xây dựng thì không có cơ chế giám sát và quản lý người dùng đầu cuối. Hơn nữa, trong cả hai mô hình nói trên, do file chia sẻ phụ thuộc vào hệ thống mạng chia sẻ (các server, các máy chứa file tham gia mạng P2P) nên việc chia sẻ file trong các mô hình mạng hiện nay chưa đạt hiệu quả tốt nhất. Do đó, bài báo đề xuất phương án xây dựng hệ thống chia sẻ tài nguyên phân tán trên cơ sở tận dụng các tài nguyên trống dư thừa trên mạng và sử dụng giao thức P2P. Trong hệ thống này, một file chia sẻ được phân chia làm nhiều mảnh dữ liệu và được lưu trữ phân tán trên các thiết bị lưu trữ còn dư thừa trên mạng để tận dụng hiệu quả các nguồn tài nguyên trên mạng. Các máy tính tham gia cung cấp dung lượng lưu trữ trong mạng P2P sẽ đóng vai trò như một servent[3] để cấu hình nên kho dữ liệu phân tán. Ngoài ra, khi dữ liệu được phân chia làm nhiều mảnh nhỏ, có thể thêm vào các thông tin cần thiết để quản lý truy cập và phục hồi dữ liệu khi hệ thống gặp sự cố. Phần 2 của bài báo phân tích các hệ thống chia sẻ tài nguyên hiện nay và các nhược điểm chủ yếu. Từ đó, đưa ra mô hình đề xuất trong phần 3. Cuối cùng, bài báo đánh giá mô hình đề xuất và tính khả thi khi triển khai trong thực tế.

CÁC HỆ THỐNG CHIA SẺ HIỆN NAY

Các loại hệ thống chia sẻ tài nguyên

Trong các loại hệ thống chia sẻ được sử dụng rộng rãi hiện nay, có thể chia thành hai loại cơ bản sau:

Loại 1: Đây là hệ thống chia sẻ tài nguyên phụ thuộc vào hạ tầng cung cấp cho tầng mạng hay các OS riêng biệt. Hệ thống này sẽ tận dụng chức năng quản lý người dùng của OS để quản lý việc chia sẻ tài nguyên và truy xuất dữ liệu. Tuy nhiên, trong điều kiện phát triển phong phú các dạng multi-platform như hiện nay, việc thống nhất các giao thức cho các hệ thống chia sẻ trên nhiều OS là khá

phức tạp. Tóm lại, các hệ thống chia sẻ tài nguyên loại 1 phụ thuộc rất nhiều vào các platform. Ví dụ, trên UNIX có hệ thống NFS (Network File Sytem); trên Microsoft có hệ thống LAN Manager.

Loại 2: Đây là hệ thống chia sẻ tài nguyên được phát triển để phù hợp với môi trường multi-platform hiện nay. Hệ thống này vượt qua giới hạn quản lý người dùng đầu cuối khi truy cập vào mạng chia sẻ. Bất cứ người dùng đầu cuối nào khi tham gia vào hệ thống chia sẻ đều có thể là servent độc lập. Giao thức tiêu biểu sử dụng trong hệ thống này là hệ thống P2P.

Network File Sytem (NFS)[4]

NFS cung cấp chức năng chia sẻ tài nguyên cho nhiều hệ thống UNIX workstation. NFS sử dụng giao thức Run RPC, khi truyền dữ liệu thì sử dụng UDP/IP. Hệ thống chia sẻ tài nguyên NFS có chức năng như hệ thống tài nguyên trên máy cá nhân; dữ liệu trên các máy sẽ được kết nối (mount) vào cơ sở dữ liệu của NFS và chia sẻ trên mạng.

NFS không cung cấp chức năng quản lý người dùng đầu cuối mà sử dụng chức năng quản lý người dùng của OS. Chính vì vậy, nếu vượt qua hệ thống một OS đồng nhất thì NFS không thể quản lý được người dùng. Mặt khác, độ bảo mật của dữ liệu được chia sẻ hoàn toàn phụ thuộc vào chức năng quản lý người dùng và bảo mật của OS. Bởi vậy, hệ thống chia sẻ tài nguyên NFS chỉ thích hợp với môi trường đồng nhất OS và sẽ có hiệu quả khi bảo mật hệ thống được bảo đảm trong toàn mạng.

Giao thức P2P

Napster, Gnutella, Freenet, ... là hệ thống chia sẻ tài nguyên đại diện cho giao thức P2P. Với các phần mềm này, người dùng đầu cuối có thể chia sẻ, trao đổi dữ liệu thông qua upload và download. Thực chất, hệ thống P2P là mạng ngang hàng được tự hình thành bởi người dùng đầu cuối khi có nhu cầu sử dụng. Mạng P2P có thể được phân ra làm 2 loại là hỗn hợp (Hybrid) và thuần nhất (Pure).

Napster là một dạng hệ thống thuộc loại Hybrid. Khi các servent khởi động ứng dụng

Tạ Minh Thanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 67 - 74

69

Napster thì đồng thời tự động kết nối và sau đó các servent sẽ gửi danh sách các content mình có đến Napster server. Các lệnh tìm kiếm content được thực hiện thông qua gửi câu lệnh Query đến Napster server. Napster server sẽ gửi trả lại kết quả tìm kiếm (người sở hữu, chất lượng content, ...) cho servent tương ứng. Khi đó, servent sẽ thiết lập liên kết TCP với servent sở hữu content và dữ liệu bắt đầu được truyền tải.

Bên cạnh đó, Gnutella và Freenet là hệ thống thuộc loại Pure. Trong đó, các servent sau khi khởi động sẽ thiết lập kết nối TCP và duy trì để tạo mạng trao đổi content. Loại Pure khác với loại Hybrid ở chỗ không tồn tại một server để quản lý thông tin content, việc tìm kiếm và phát hiện content được thực hiện trên toàn mạng.

Thông thường, các hệ thống chia sẻ bằng giao thức P2P được thực hiện bằng phương thức chia sẻ danh sách dữ liệu sở hữu của các servent. Việc lưu trữ các dữ liệu chia sẻ được thực hiện riêng biệt trên các servent; tìm kiếm dữ liệu chia sẻ được thực hiện trên cơ sở danh sách dữ liệu sở hữu của các servent.

Vấn đề điều khiển truy cập tài nguyên chia sẻ được thực hiện bởi các servent nên khác biệt hoàn toàn với hệ thống NFS. Các điều khiển truy xuất dữ liệu đối với người dùng được thực hiện thông qua việc trao đổi các thông điệp điều khiển (control message) giữa các servent. Hầu hết các servent tham gia mạng P2P đều có thể tự chia sẻ và tự quản lý tài nguyên.

Các vấn đề cần khắc phục

Với các hệ thống chia sẻ tài nguyên nêu trên, ta có được bảng tổng hợp đặc trưng của chúng như sau:

Hầu hết các hệ thống chia sẻ hiện nay đều không có chức năng quản lý truy cập của người dùng đầu cuối. Bên cạnh đó, các tài nguyên được chia sẻ trên mạng đều lưu trữ trên thiết bị của server hay servent để phục vụ cho nhu cầu upload và download của client nên tài nguyên chia sẻ phụ thuộc vào mạng chia sẻ được hình thành; dẫn đến việc không tận dụng được hết các dung lượng dư thừa của các thiết bị lưu trữ trên mạng.

HỆ THỐNG CHIA SẺ TÀI NGUYÊN DỰA TRÊN HỆ LƯU TRỮ PHÂN TÁN

Điều kiện cần

Bảng 1. Đặc trưng của các hệ thống chia sẻ

Phân loại

Ví dụ Đặc trưng

Loại 1

NFS

Lan Manager

- Tài nguyên chia sẻ tồn tại trong cấu trúc mạng

- Không có chức năng điều khiển truy cập mà phụ thuộc vào OS

- Tính bảo mật của tài nguyên chia sẻ không cao

Loại 2

Napster

Gnutella

Freenet

Winny

- Tài nguyên chia sẻ tồn tại trên từng thực thể servent

- Không có chức năng điều khiển truy cập mà phụ thuộc vào thông điệp điều khiển

- Tính bảo mật của tài nguyên chia sẻ thấp

Giả sử trong một mạng qui mô nhỏ, các máy tính tham gia mạng có dung lượng ổ cứng lớn để lưu trữ dữ liệu. Thông thường, chúng không sử dụng hết dung lượng ổ cứng nên trên toàn mạng tổng dung lượng dư thừa ổ đĩa rất lớn [5,6]. Vậy nếu xây dựng một hệ thống chia sẻ tài nguyên trên cơ sở tận dụng các nguồn lưu trữ dư thừa trên toàn mạng sẽ tận dụng được khá hiệu quả dung lượng dư thừa, nâng cao được hiệu suất sử dụng thiết bị lưu trữ. Trên có sở đó, chúng tôi đã đề xuất kỹ thuật kiểm soát truy cập nguồn tài nguyên chia sẻ của mạng đến người dùng đầu cuối để nâng cao tính bảo mật tài nguyên chia sẻ.

Hệ thống đề xuất

Với điều kiện trên, chúng tôi đề xuất mô hình hệ thống chia sẻ tài nguyên trên hệ lưu trữ phân tán như trong hình 1.

Trong hình 1, người phân phối (người phục hồi), người lưu trữ sử dụng các máy tính có dung lượng lưu trữ phân tán được sử dụng trong hệ thống chia sẻ P2P; đóng vai trò là các servent độc lập. Các servent trong hệ

Tạ Minh Thanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 67 - 74

70

thống đề xuất có thể thực hiện được các thao tác lưu trữ hay phục hồi dữ liệu chia sẻ.

Với hệ thống này, các đơn vị dữ liệu của dữ liệu chia sẻ được phân chia trước khi phân phối để lưu trữ được gọi là đoạn dữ liệu (segment). Trên mỗi segment, ta thêm vào thông tin điều khiển để quản lý truy xuất dữ liệu của người dùng đầu cuối và các thông tin để phục hồi lại dữ liệu khi có sự cố. Thông tin trao đổi giữa các servent là trao đổi các thông tin điều khiển này (gọi là list-information) để thống nhất quản lý người dùng đầu cuối.

Hình 1. Mô hình hệ thống đề xuất

Trong xử lý lưu trữ, giả sử servent là người phân phối C có nhu cầu lưu trữ dữ liệu bất kỳ trên mạng P2P, C sẽ chọn người lưu trữ S trong các servent trên mạng, sau đó phân đoạn dữ liệu thành nhiều segment và phân phối lưu trữ trên thiết bị lưu trữ của S.

Khi đó, người phân phối C cũng phân phối thông tin phân đoạn dữ liệu trên toàn mạng

bao gồm cả thông tin của người lưu trữ S thông qua cập nhật list-information.

Mặt khác, trong xử lý phục hồi dữ liệu, nếu servent là người phục hồi R có yêu cầu phục hồi dữ liệu đã được lưu trữ phân tán trên mạng, R sẽ thu thập các segment được phân tán lưu trữ trong các thiết bị lưu trữ của S thông qua list-information để phục hồi nguyên vẹn dữ liệu ban đầu. Người phục hồi R có thể phục hồi nguyên vẹn được các dữ liệu do bản thân mình phân đoạn và phân phối lưu trữ trên các hệ thống của S.

Xử lý lưu trữ

Trong xử lý lưu trữ, người phân phối C phải thực hiện các thao tác phân đoạn và phân phối dữ liệu trên các servent đã lựa chọn. Người phân phối C sẽ thực hiện phân đoạn dữ liệu đến đơn vị bit cho từng segment. Nhờ vậy, sau khi lưu trữ phân tán dữ liệu trên các thiết bị của S (bao gồm cả C), dữ liệu chia sẻ không bị phục hồi bất hợp pháp bởi S mà vẫn đảm bảo tính toàn vẹn khi C hoặc R phục hồi lại dữ liệu; do đó khẳng định tính tin cậy của hệ thống chia sẻ tài nguyên. Khi phân đoạn dữ liệu, C thêm vào thông tin điều khiển cho từng segment là các thông tin phân phối và phục hồi cho dữ liệu và từ đó tạo các thông tin điều khiển để phân phối. Sau khi thực hiện các thao tác phân đoạn và phân phối, C gửi các thông tin điều khiển thông qua list-information tạo được cho người lưu trữ S. Các thao tác phân đoạn và phân phối trên mạng P2P của C được mô tả trong hình 2.

Hình 2. Cách thức phân đoạn và phân phối segment

Hình 3. Cách thức thu thập và phục hồi các

segment

Tạ Minh Thanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 67 - 74

71

Xử lý phục hồi

Trong xử lý phục hồi dữ liệu, người phục hồi R phải thực hiện thao tác thu thập tất cả các segment từ mạng chia sẻ dữ liệu, sau đó tiến hành loại bỏ thông tin điều khiển, kết hợp dữ liệu để thu được dữ liệu ban đầu. R sẽ trên cơ sở lấy được các thông tin điều khiển từ S để đánh giá khả năng phục hồi của dữ liệu chia sẻ. Nếu dữ liệu chia sẻ có thể phục hồi được thì R sẽ kết hợp các segment tương ứng và tiến hành xử lý phục hồi dữ liệu. Việc đánh giá xem dữ liệu có thể phục hồi được hay không là căn cứ thông tin điều khiển (header information) trong các segment khi phân đoạn dữ liệu. Xử lý mà R thực hiện được mô tả trong hình 3.

Quản lý truy xuất tài nguyên chia sẻ

Với hệ thống đề xuất trên, việc quản lý truy xuất tài nguyên chia sẻ không phụ thuộc vào OS có thể thực hiện được thông qua việc điều khiển thông tin điều khiển (header information) của các segment. Từ các thông tin điều khiển này, lấy được danh sách các segment thuộc dữ liệu đã được phân đoạn. Vì thế, việc thực hiện truy xuất đối với tài nguyên chia sẻ trong hệ thống có thể thực hiện được thông qua các thông tin được cấu thành trong thông tin điều khiển của segment. Ở đây, quyền truy xuất đối với dữ liệu chia sẻ trong mạng được phân chia làm hai mức: công khai – public (trường hợp cả người phân phối và người lưu trữ đều có thể phục hồi dữ liệu) và bí mật – private (trường hợp chỉ có người phân phối mới có thể phục hồi được dữ liệu). Với bảng phân quyền như trong bảng 2 có thể định nghĩa được các thông tin trong thông tin điều khiển để quản lý truy xuất dữ liệu chia sẻ (trong đó, √: thỏa mãn và ×: không thỏa mãn).

Trường hợp muốn công khai chia sẻ tài nguyên, người phân phối C phân đoạn các segment sao cho thông tin điều khiển segment của người lưu trữ S giống thông tin điều khiển segment của người phân phối (Hình 4). Mặt khác, khi muốn thông tin chia sẻ được giữ bí mật, thông tin điều segment của người phân phối và người lưu trữ phải khác nhau (Hình 4).

Khi các client (các đối tượng tham gia mạng P2P) muốn truy xuất tài nguyên chia sẻ trên mạng, các client sẽ trích rút các thông tin từ thông tin điều khiển của các segment để tạo thành một danh sách các segment đã được phân phối để lưu trữ trên S, từ đó kết hợp các segment lại để phục hồi lại được dữ liệu ban đầu. Trường hợp chỉ người phân phối mới có thể phục hồi được dữ liệu ban đầu thì người phân phối sử dụng khóa K đã được mã hóa để phục hồi lại dữ liệu.

Bảng 2. Thông tin điều khiển

(Header Information)

Đối tượng sở hữu

Header information (Nội dung thông tin header) P

ub

lic

Pri

vate

Du

ng

lượn

g

Người phân phối C

S: địa chỉ IP của người phân phối

√ √ 32 bit

N: tên của file gốc

√ √ 16~ bit

P: dung lượng của của file gốc

√ √ 16 bit

LD: danh sách địa chỉ IP của người lưu trữ

√ √ 32 bit

Người lưu trữ S

K: Khóa bí mật của những người tham gia chia sẻ tài nguyên

× √

Phương pháp tạo khóa K

Khóa K được tạo ra bởi một hàm số HASH với đầu vào là các tham số: địa chỉ IP của người phân phối, tên file, địa chỉ IP của người lưu trữ. Bởi vậy, mỗi một giá trị K được tạo ra sẽ là tham số duy nhất trong toàn mạng.

Người phân phối C sau khi phân đoạn dữ liệu sẽ dùng địa chỉ IP của người lưu trữ S để tạo khóa K, sau đó thêm khóa K là thông tin điều khiển của segment và gửi segment đến nơi lưu trữ tương ứng. Người phục hồi (thực chất là người phân phối C) khi muốn phục hồi lại dữ liệu ban đầu thì phải tạo khóa K và dùng

Tạ Minh Thanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 67 - 74

72

khóa K làm thông tin để tìm kiếm các segment đã được phân tán trên các ổ lưu trữ.

Trong trường hợp các máy trạm trong mạng được cấu hình địa chỉ IP động theo dịch vụ DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) server, các servent sẽ không giữ được thống nhất địa chỉ IP trong mỗi lần truy cập mạng dẫn đến việc khó xác định được khóa K đồng nhất để phục hồi lại dữ liệu ban đầu. Khi đó, việc xác định lại tham số để sinh ra một khóa K duy nhất là cần thiết. Trong trường hợp này, khi xác định được mạng có sử dụng dịch vụ DHCP để cấp phát địa chỉ IP cho các máy trạm, thuật toán sẽ sử dụng địa chỉ vật lý MAC (Media Access Control) của người phân phối và người lưu trữ để tạo khóa K và cập nhật vào list-information.

Khả năng phục hồi dữ liệu khi có sự cố

Hình 4. Cấu trúc của các segment trong điều

khiển truy xuất tài nguyên

Trên hệ thống lưu trữ phân tán đề xuất, tùy thuộc vào trạng thái của các servent mà các segment sau khi được phân đoạn và lưu trữ phân tán không phải lúc nào cũng có thể thu hồi được đầy đủ để phục hồi lại dữ liệu ban đầu. Bởi vậy, để giải quyết được vấn đề này, hệ thống lưu trữ phân tán này có thể thêm vào các thông tin dung lỗi trên các segment để có thể tự sửa lỗi khi có sự cố xảy ra đối với các segment đã lưu trữ phân tán. Chính vì thế, hệ lưu trữ phân tán có thể trở thành một hệ thống chia sẻ tài nguyên bền vững với khả năng tự dung lỗi khi xảy ra hiện tượng mất dữ liệu. Tuy nhiên, việc thêm mã sửa lỗi vào các segment và phân phối lên các servent lưu trữ phân tán cần phải tính toán sao cho dung

lượng của mã sửa lỗi phải nhỏ hơn dung lượng dữ liệu đã được phân đoạn. Các mã sửa lỗi có thể sử dụng để phục hồi lỗi trong quá trình xảy ra sự cố như mã BCH, CRC-10, CRC-11, ... Như vậy, với việc thêm kèm mã sửa lỗi vào các segment khi phân phối lưu trữ phân tán lên các thiết bị của người lưu trữ, dù các servent không tham gia trong quá trình có nhu cầu phục hồi dữ liệu đi chăng nữa thì dữ liệu ban đầu cũng có thể phục hồi về trạng thái gần giống ban đầu mà có thể chấp nhận được. Với khả năng tự phục hồi lỗi khi có sự cố khiến hệ thống chia sẻ tài nguyên có độ bền vững cao đối với các sự cố có thể xảy ra. THUẬT TOÁN THỰC HIỆN TRÊN HỆ THỐNG ĐỀ XUẤT Thuật toán lưu trữ dữ liệu phân tán

Hình 5. Các bước thực hiện lưu trữ phân tán

Người phân phối C khi có nhu cầu chia sẻ dữ liệu lên mạng P2P, trước khi phân phối trên mạng, người phân phối C cần xác định rõ mục đích chia sẻ lên mạng là công khai hay bí mật để khởi tạo thông tin điều khiển thêm vào các segment và tiến hành phân phối đến các servent lưu trữ. Các bước thực hiện phân đoạn và lưu trữ segment trên toàn mạng được mô tả trong hình 5. Step 1. Người lưu trữ C xác định dung lượng và số lượng phân mảnh dữ liệu sẽ lưu trên hệ thống mạng. Step 2. C tiến hành phân đoạn dữ liệu segment.

Tạ Minh Thanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 67 - 74

73

Step 3. C xác định mục đích chia sẻ dữ liệu (public hay private) và xác định các thông tin điều khiển để thêm vào các segment.

Step 4. C phân phối các segments cho các servent tương ứng để lưu trữ.

Step 5. Tại các servent của người lưu trữ S, S thực hiện việc nhận dữ liệu segment và lưu trữ trên vùng ổ đĩa dư thừa.

Step 6. S thay đổi các thông tin trong list-information và trao đổi thông tin này với C

Step 7. C so sánh các thông tin trong list-information và cập nhật các thông tin đã thay đổi để kết thúc quá trình lưu trữ phân tán.

Sau khi thực hiện các bước lưu trữ phân tán các mảnh dữ liệu, C và S đồng thời có được thông tin lưu trữ trong list-information. Tuy nhiên, trường hợp khi dữ liệu được lưu bởi trạng thái là “public”, C và S sẽ có list-information là như nhau; khi đó, cả C và S đều có thể phục hồi được dữ liệu về trạng thái ban đầu. Mặt khác, nếu trạng thái của dữ liệu được lưu trữ là “private” thì thông tin điều khiển của C và S là khác nhau nhằm mục đích chỉ có C mới có thể phục hồi lại dữ liệu ban đầu.

Thuật toán phục hồi dữ liệu ban đầu

Khi người phân phối C (người phục hồi) có nhu cầu phục hồi dữ liệu ban đầu, C kiểm tra trong list-information của mình khả năng phục hồi của dữ liệu muốn phục hồi. Tiếp theo, C sẽ sử dụng khóa K tạo được để yêu cầu các segments đang được lưu trữ phân tán trên các hệ phân tán lưu trữ S, kết hợp dữ liệu lại và phục hồi dữ liệu về trạng thái nguyên dạng ban đầu. Qui trình phục hồi dữ liệu ban đầu được thực hiện tuần tự như các bước trong hình 6.

Step 1. Khi một servent (bao gồm cả C) có nhu cầu phục hồi dữ liệu từ các mảnh lưu trữ phân tán, người phục hồi sẽ kiểm tra thông tin trong list-information để đánh giá khả năng phục hồi dữ liệu.

Step 2. Nếu dữ liệu có khả năng phục hồi, người phục hồi sẽ sử dụng các thông tin trong list-information làm thông tin header để tìm kiếm các segment đã được lưu trữ phân tán trên toàn mạng. Với trường hợp khả năng phục hồi chỉ dành cho C (trạng thái lưu trữ là

“private”), C phải tiến hành sinh lại khóa K duy nhất và dùng khóa K làm thông tin để tìm kiếm segment.

Hình 6. Các bước thực hiện phục hồi dữ liệu

Step 3. Trên các servent lưu trữ, khi nhận được các yêu cầu tìm kiếm của người phục hồi, các servent này tiến hành so sánh các thông tin header để loại trừ các segment không phù hợp. Step 4. Khi phát hiện được các thông tin header trùng khớp, servent lưu trữ sẽ gửi trả các segment cho người phục hồi và thay đổi thông tin list-information. Step 5. Người lưu trữ sau khi nhận được hết các segment của dữ liệu sẽ tiến hành kết hợp các segment để phục hồi lại dữ liệu ban đầu. Step 6. Sau khi phục hồi lại dữ liệu, servent của người phục hồi sẽ thay đổi thông tin trong list-information để hoàn thành quá trình phục hồi. KẾT LUẬN

Bảng 3. So sánh các hệ thống chia sẻ hiện nay

NFS P2P Hệ thống đề xuất

Trao đổi dữ liệu trên mạng

√ × √

Hiệu suất lưu trữ cao

× × √

Quản lý truy xuất dữ liệu

√ × √

Khả năng phục hồi dữ liệu

× × √

Tạ Minh Thanh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 67 - 74

74

Bài báo đã xây dựng một hệ thống chia sẻ tài nguyên mới trên cơ sở tận dụng các nguồn tài nguyên phân tán trên mạng thông qua giao thức P2P. Hệ thống chia sẻ tài nguyên xây dựng trên cơ sở phân đoạn dữ liệu và lưu trữ phân tán trên các servent riêng rẽ giúp hệ thống có thể nâng cao hiệu suất sử dụng nguồn tài nguyên lưu trữ dư thừa trên mạng. Có nghĩa là, hệ thống tận dụng các nguồn tài nguyên còn trống của các servent và kết hợp lại tương tự như một kho lưu trữ dữ liệu thống nhất trên mạng. Mặt khác, với việc điều khiển truy xuất dữ liệu thông qua list-information và thông tin điều khiển của các segments dẫn đến khả năng bảo mật dữ liệu mà không bị phụ thuộc vào các hệ thống OS. Bên cạnh đó, với ý tưởng các phân đoạn dữ liệu có thể tự phục hồi khi có sự cố xảy ra thông qua việc sử dụng các mã dung lỗi dẫn đến mô hình của hệ thống có một hướng mới hơn so với các hệ thống chia sẻ tài nguyên hiện nay. Tuy nhiên, với kỹ thuật sửa lỗi dựa trên các mã dung lỗi thì việc phục hồi được các mảnh dữ liệu có dung lượng lớn (ví dụ như dung lượng với đơn vị là MB trở lên) là khá khó khăn. Do đó, tác giả đề xuất giải pháp tự phục hồi dữ liệu khi một số máy lưu trữ không tham gia mạng đối với các thông tin, dữ liệu với dung lượng hạn chế và yêu

cầu chất lượng phục hồi không cần độ tin cậy quá cao như ảnh, nhạc, phim, ...

Với hệ thống đã đề xuất, ta dễ dàng thu được kết quả so sánh trong bảng 3 và nhận thấy được tính mềm dẻo và ưu việt hơn so với các hệ thống đang được tận dụng hiện nay. Tính thực tiễn thể hiện ở chỗ là đưa ra được ý tưởng tận dụng tài nguyên dư thừa của các máy tham gia mạng để lưu trữ phân tán và khai thác thông tin trên mạng với cơ chế kiểm soát truy cập.

Vấn đề tiếp theo của hướng nghiên cứu này là thực hiện xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh và thực tiễn để áp dụng kết quả nghiên cứu trong thực tế.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO [1]. Gnutella, http://www.gnutelliusms.com/ [2]. I. Clarke, A Distributed Anonymous Information Storage and Retrival System ,Proc. ICSI Workshop on Design Issues in Anonymity and Unobservability, June 2000 [3]. Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Servent [4]. B. Callaghan, (1999), NFS Illustrated, Addition– Wesley Profesonal. [5]. T.Lee, J.G.Davies, (2000), Microsoft Window 2000 TCP/IP Protocols and Services Technical Reference, Microsoft Press. J.T’s, R.Eckstein, D.Collier Brown, (2003), Using Samba, Second Edition, O’Reilly.

SUMMARY AN APPROACH OF PEER-TO-PEER SYSTEM BASED ON DISTRIBUTED DATA STORAGES AND CONTROL ACCESS

Ta Minh Thanh 1∗, Nguyen Hieu Minh1, Do Thi Bac2

1Institute of Military Technology, 2 College of Information and Communication Technology-TNU

Netwook sharing systems are now commonly in client-server model. Therefore, the data retrievals of this model depend mostly on the network operating system or on sharing server but are not uniform on many OS versions. In addition, the dramatic development of a sharing Peer-to-Peer network model without regarding user management and data retrieval leads to some problems in freedom of access to resources and copyright infringement of products. On that basis, the article proposed a new resource-sharing system based on distributed storage system incoperated with user management to solve the problems of the current sharing systems. Key words: client-server, resource sharing system, Peer-to-Peer, distributed storage, access control.

∗ Tel:

Trương Thành Nam và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 75 - 80

75

ỨNG DỤNG HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) XÂY D ỰNG BẢN ĐỒ ĐƠN VỊ ĐẤT ĐAI HUY ỆN ĐỊNH HÓA, T ỈNH THÁI NGUYÊN

Trương Thành Nam1*, Lâm Thu Hà1, Hà Anh Tuấn2,

1Trường ĐH Nông Lâm – ĐH Thái Nguyên, 2Đại học Thái Nguyên,

TÓM TẮT

Đề tài đã ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) để thành lập bản đồ đơn vị đất đai thông qua việc chồng xếp các bản đồ đơn tính: Loại đất, độ dốc, địa hình, và chế độ tưới. Từ 40635,47 ha đất sản xuất nông nghiệp trồng cây hàng năm của huyện Định Hóa đã xác định được 34 đơn vị đất đai gồm 308 khoanh đất. Trung bình mỗi đơn vị đất đai có diện tích 304,22 ha. Bản đồ đơn vị đất đai huyện Định Hóa được thành lập sẽ giúp cho công tác đánh giá đất, quy hoạch sử dụng đất của huyện một cách hiệu quả hơn. Từ khoá: GIS, đơn vị đất đai, Định Hóa, sử dụng đất, bản đồ.

∗ ĐẶT VẤN ĐỀ

Định Hoá là một huyện miền núi nằm ở phía Tây - Tây Bắc của tỉnh Thái Nguyên, với tổng diện tích đất tự nhiên 52.272,23 ha trong đó đất nông nghiệp chiếm 10404,54 ha. Địa hình phức tạp, độ dốc cao, giao thông đi lại khó khăn, hiệu quả sử dụng đất không cao. Trong khi, trên 80% dân số của huyện làm nông nghiệp. Hoạt động sản xuất nông nghiệp đang có ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống của người dân trong huyện.

Vì vậy, việc ứng dụng công nghệ GIS vào lĩnh vực thành lập bản đồ Đơn vị đất đai tại địa phương là hết sức cần thiết nhằm sử dụng đất một cách hiệu quả và lâu dài, xây dựng một ngành nông nghiệp đa canh, đem lại hiệu quả về mặt kinh tế, xã hội và môi trường. Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là toàn bộ hệ thống đất nông nghiệp trên địa bàn huyện Định Hóa, tỉnh Thái Nguyên.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Phương pháp thu thập dữ liệu: Điều kiện tự nhiên – kinh tế, xã hội, các số liệu về đất đai (đặc điểm khí hậu, thổ nhưỡng, tình hình sử dụng đất đai…), nguồn tư liệu thống kê đất đai của huyện, bản đồ hiện trạng, bản đồ địa hình, bản đồ đất…

∗ Tel: 0986767535; Email: thanhnam.tuaf@gmail.com

- Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa: Dựa vào bản đồ, tiến hành khảo sát thực địa và điều tra các yếu tố đất đai, thuỷ hệ, hiện trạng sử dụng đất.

- Phương pháp xây dựng bản đồ đơn vị đất đai: Nhập dữ liệu thuộc tính bằng phần mềm Excel, MapInfor, số hoá các loại bản đồ bằng bộ phần mềm Mapping Office, chồng ghép bản đồ bằng phần mềm ArcView GIS.

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

Điều kiện tự nhiên – kinh tế - xã hội

- Định hoá là huyện miền núi nằm phía Tây - Tây Bắc của tỉnh Thái Nguyên, dân số năm 2010 của huyện là 87.947 người. Thu nhập của người dân chủ yếu là trồng lúa, ngô và chè, sản xuất nhỏ lẻ, manh mún nên năng suất chưa cao, trình độ học vấn của người dân còn hạn chế.

- Hệ thống sông, hồ và đập nước của huyện khá lớn với trên 100 ao hồ lớn nhỏ, đặc biệt có hồ Bảo Linh có diện tích mặt nước trên 80 ha và khoảng 200 đập thuỷ lợi nhỏ dâng tưới cho khoảng trên 3.000 ha.

- Tổng diện tích đất tự nhiên của huyện là 52.272,23 ha, đất dốc chiếm tỷ lệ lớn. Trong đó, đất sản xuất nông nghiệp là 10.404,54 ha. Lượng mưa bình quân 1.710mm/năm, nhiệt độ trung bình của năm là 22,50 C, rất thuận lợi cho việc sản xuất nông nghiệp.

Trương Thành Nam và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 75 - 80

76

Xây dựng bản đồ đơn vị đất đai

Xây dựng bản đồ phân cấp mức độ tác động của yếu tố thổ nhưỡng

Hình 1. Biểu đồ thổ những huyện Định Hóa

Bản đồ phân cấp mức độ tác động của các yếu tố thổ nhưỡng huyện Định Hóa được xây dựng trên nền Bản đồ Thổ Nhưỡng Tỉnh Thái Nguyên năm 2005 và dựa trên khả năng cung cấp chất dinh dưỡng, mức độ màu mỡ của các loại đất tiến hành phân cấp.

Kết quả phân tích cho thấy trong tổng số 48021,5 ha thì loại đất có diện tích lớn nhất là đất Ferarit trên đá macma axit (G4) chiếm tới 52,88%. Còn loại đất có diện tích nhỏ nhất là đất lầy thụt (G8) chiếm tỷ lệ rất nhỏ 0,24 %.

Bảng 1. Kết quả phân cấp yếu tố thổ nhưỡng

TT Phân cấp

Diện tích (ha)

Số khoanh

Tỷ lệ

(%)

1 G1 2224,00 37 4,63

2 G2 4614,00 113 9,61

3 G3 448,00 35 0,93

4 G4 25392,00 17 52,88

5 G5 1338,20 9 2,79

6 G6 12768,00 13 26,59

7 G7 383,30 14 0,80

8 G8 115,00 5 0,24

9 Núi đá 739,00 6 1,54

Tổng 48021,50 249 100,00

Xây dựng bản đồ phân cấp mức độ tác động của yếu tố độ dốc

Hình 2. Biểu đồ phân cấp độ dốc huyện Định Hóa

Bản đồ phân cấp độ dốc được tiến hành dựa trên nền bàn đồ địa hình. Sau khi đã có đầy đủ giá trị độ cao của điểm độ cao và đường bình độ, kết quả phân tích được thể hiện như hình 2.

Kết quả cho thấy phần lớn diện tích có độ dốc lớn trên 250 chiếm tới 58,48 % khó khăn trong việc tưới tiêu và giao thông, diện tích đất có địa hình bằng phẳng chỉ chiếm 4,02%, với phần diện tích này cho thấy khả năng phát triển các cây lương thực của huyện là rất hạn chế.

Bảng 2. Phân cấp chỉ tiêu về độ dốc huyện Định Hóa

TT Cấp độ Diện tích (ha)

Tỷ lệ

(%)

1 SL1 2015,00 4,02

2 SL2 6724,09 13,43

3 SL3 13558,00 27,07

4 Dốc đứng 27784,91 55,48

Xây dựng bản đồ phân cấp mức độ tác động của yếu tố địa hình tương đối

Căn cứ vào bản đồ địa hình và khảo sát thực địa kết quả phân cấp địa hình huyện Định Hóa thành các cấp sau:

- Địa hình cao (E1): phân bố chủ yếu ở những gò đất tương đối cao, khả năng tưới hạn chế. Hiện trạng sử dụng đất chủ yếu là trồng cây lâu năm và cây công nghiệp.

Trương Thành Nam và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 75 - 80

77

- Địa hình vàn (E2): phân bố dải rác trên khắp địa bàn xã, thuận lợi cho việc canh tác lúa và trồng cây nông nghiệp ngắn ngày.

- Địa hình thấp (E3), diện tích đất này chiếm tỷ lệ nhỏ phân bố ở những khu vực thấp, trũng và thường bị ngập úng vào mùa mưa.

Hình 3. Bản đồ phân cấp địa hình tương đối

huyện Định hóa

- Địa hình đồi núi (E4): là các dãy núi cao không có khả năng canh tác trên đó. Không dùng để đánh giá khả năng canh tác.

Bảng 3. Kết quả phân cấp chỉ tiêu địa hình tương đối huyện Định Hóa

TT Cấp độ

Diện tích (ha)

Số khoanh

Tỷ lệ (%)

1 E1 48741,00 10 97,32

2 E2 1035,00 176 2,07

3 E3 201,00 255 0,41

4 E4 105,00 355 0,21

Xây dựng bản đồ phân cấp mức độ tác động của yếu tố chế độ tưới

Mặc dù có địa hình phức tạp nhưng nhờ có 3 con sông (sông Đu, sông Công, sông Chợ Chu) và hệ thống kênh mương tương đối hoàn chỉnh nên việc cung cấp nước tưới cho đất canh tác khá tốt, đặc biệt ở các xã vùng thấp. Tuy nhiên, đối với các xã vùng cao điều kiện tưới chủ yếu là nhờ vào nước trời và chỉ canh tác một vụ và bỏ hoá do không được tưới.

Kết quả phân tích và đánh giá được chế độ tưới được chia thành 3 cấp:

- Chế độ tưới chủ động (I 1): Điều tiết nước dễ dàng, tập trung trên những diện tích đất có địa hình bằng phẳng, độ dốc dưới 80, nước tưới được bơm trực tiếp từ các trạm bơm đầu nguồn đến các hệ thông kênh mương tưới, tiêu.

- Chế độ tưới hạn chế (I 2): Điều tiết nước tưới khó khăn do các khu ruộng có địa hình cao hoặc phân bố ở những nơi có địa hình phức tạp, các trạm bơm đầu nguồn không thể cung cấp nước trực tiếp đến ruộng mà phải dựa vào các trạm bơm nhỏ kết hợp với tát nước của người dân.

- Chế độ tưới nhờ nước trời (I 3): Chế độ canh tác hoàn toàn phụ thuộc vào nước trời, phân bố chủ yếu ở những nơi có địa hình cao, đất dốc, các nương rẫy hoặc đồi núi trồng các loại như: ngô, sắn, cây ăn quả và cây công nghiệp lâu năm.

X· LINH TH¤NG

X· LAM VüX· QUY Kú

X· T¢N THÞNH

X· T¢N D¦¥NG

X· PH¦îNH TIÕN

X· TRUNG HéI

X· PHó TIÕN

X· BéC NHI£U

X· B×NH THµNH

X· PHó §×NH

X· S¥N PHó

X· §IÒM M¹C

X· THANH §ÞNH

X· B×NH Y£NX· TRUNG L¦¥NG

X· §ÞNH BI£NX· §åNG THÞNH

X· B¶O C¦êNG

TT.CHî CHU

X· KIM PH¦îNGX· KIM S¥N

X· PHóC CHUX· B¶O LINH

Thuyhe_ok_region.shpAo hoBan Chu dongChu dongKho khanNui da

Ranhgioi_xa_polyline.shp124

Song_chinh_polyline.shp0

N

EW

S

390000

390000

395000

395000

400000

400000

405000

405000

410000

410000

415000

415000

420000

420000

425000

425000

430000

430000

2410000

2410000

2415000

2415000

2420000

2420000

2425000

2425000

2430000

2430000

2435000

2435000

B¶N §å PH¢N CÊP CHÕ §é T¦íI HUYÖN §ÞNH HO¸

Hình 4. Bản đồ cấp chế độ tươi huyện Định Hóa

Bảng 4. Phân cấp các chỉ tiêu về chế độ tưới huyện Định Hóa

TT Cấp độ

Diện tích (ha)

Số khoanh

Tỷ lệ (%)

1 I 1 3624,00 219 0,77

2 I 2 8079,00 334 17,26

3 I 3 38379,00 207 81,97

Trương Thành Nam và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 75 - 80

78

Xây dựng bản đồ đơn vị đất đai bằng phương pháp chồng xếp các bản đồ đơn tính

Dựa trên kết quả xây dựng, bản đồ đơn tính. Việc xây dựng Bản đồ Đơn vị đất là là kết quả chồng nghép, phân tích của hệ thống bản đồ đơn tính nói trên bằng chức năng Geoprocessing của phần mềm Arcview .

Hình 5. Bản đồ đơn vị đất đai huyện Định Hóa

Kết quả đạt được là dữ liệu không gian (hình bên) và dữ liệu thuộc tính của bản đồ đơn vị đất đai như sau:

Diện tích đơn vị đất tính trung bình là 304,22 ha. Trong đó:

- 8 LMU có diện tích nhỏ hơn 50 ha với diện tích là 268.16ha, chiếm 2.61% diện tích đất canh tác nông nghiệp trồng cây hàng năm.

- 3 LMU có diện tích từ 50 - 100 ha với diện tích là 223,95 ha, chiếm 2,16 % diện tích đất canh tác nông nghiệp trồng cây hàng năm.

- 4 LMU có diện tích từ 100 - 200 ha với diện tích là 434,87 ha, chiếm 4,21 % diện tích đất canh tác nông nghiệp trồng cây hàng năm.

- 6 LMU có diện tích từ 200 - 300 ha với diện tích là 1476,79 ha, chiếm 14,28% diện tích đất canh tác nông nghiệp trồng cây hàng năm.

- 6 LMU có diện tích từ 300 - 500 ha với diện tích là 2065,14 ha, chiếm 17,04% diện tích đất canh tác nông nghiệp trồng cây hàng năm.

- 2 LMU có diện tích từ 500 - 700 ha với diện tích là 1066,03 ha, chiếm 10,31% diện tích đất canh tác nông nghiệp trồng cây hàng năm.

- 5 LMU có diện tích từ 700 trên 1000 ha với diện tích là 4808,00 ha, chiếm 37,88 % diện tích

đất canh tác nông nghiệp trồng cây hàng năm.

Bảng 5. Tổng hợp phân cấp các chỉ tiêu xây dựng bản đồ đơn vị đất đai

LMU Đặc tính Số khoanh đất

Loại đất

Địa hình Chế độ tưới Độ

dốc Diện tích (ha)

Tỷ lệ (%)

G E I SL

1 1111 15 1 1 1 1 889,04 8,59

2 1121 13 1 1 2 1 503,47 4,87

3 1212 10 1 2 1 2 293,65 2,84

4 1222 5 1 2 2 2 279,06 2,70

5 1122 7 1 1 2 2 25,20 0,24

6 1112 5 1 1 1 2 400,12 3,87

7 2111 8 2 1 1 1 84,88 0,82

8 2212 9 2 2 1 2 102,15 0,99

9 2221 7 2 2 2 1 346,88 3,35

10 2223 3 2 2 2 3 105,01 1,02

11 2233 9 2 2 3 3 395,00 3,82

12 2333 8 2 3 3 3 78,00 0,75

13 2332 3 2 3 3 2 217,04 2,10

14 2232 4 2 2 3 2 313,84 3,03

15 3111 8 3 1 1 1 108,00 1,04

Trương Thành Nam và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 75 - 80

79

16 3122 18 3 2 2 2 897,12 8,67

17 3233 15 3 2 3 3 1107,34 10,71

18 3323 8 3 3 2 3 35,00 0,34

19 4111 11 4 1 1 1 245,05 2,37

20 4221 9 4 2 2 1 47,18 0,46

21 4112 8 4 1 1 2 14,25 0,14

22 5121 8 5 1 2 1 119,71 1,16

23 5111 13 5 1 1 1 562,56 5,44

24 5223 18 5 2 2 3 1025,13 9,91

25 5333 7 5 3 3 3 61,07 0,59

26 5233 5 5 2 3 3 240,10 2,32

27 6221 8 6 2 2 1 42,18 0,41

28 6233 9 6 2 3 3 44,35 0,43

29 6232 12 6 2 3 2 201,89 1,95

30 6222 16 6 2 2 2 305,15 0,03

31 7121 15 7 1 2 1 890,17 8,61

32 7223 7 7 2 2 3 304,15 2,94

33 8111 5 8 1 1 1 45,00 0,44

34 8122 2 8 1 2 2 15,00 0,15

Tổng 308 10343,74 100,00

Mô tả đơn vị bản đồ đất đai (LMU) theo loại đất phát sinh

Đất phù sa (G1): Có 6 LMU với tổng diện tích 2390,54 ha, nằm trên 55 khoanh, các LMU này thích hợp cho nhiều loại cây trồng.

Đất dốc tụ (G2): Có 8 LMU với tổng diện tích 1642,8 ha, nằm trên 51 khoanh, địa hình phức tạp, như những lòng máng nhỏ to, rộng hẹp khác nhau phân bố xen kẽ, rải rác khắp các đồi núi. Các LMU này thích hợp cho trồng lúa, màu và cây công nghiệp hàng năm.

Đất Feralit trên phù sa cổ (G3): Có 4 LMU với tổng diện tích 2147,46 ha, nằm trên 49 khoanh. Các LMU này có khả năng cải tạo để trồng các loại cây rau màu và cây công nghiệp ngắn ngày, các khu vực cao có thể dùng làm bãi chăn thả.

Đất Feralit trên đá macma axit (G4): Có 3 LMU với tổng diện tích 306,48 ha nằm trên 28 khoanh, các LMU này thích hợp trồng màu, lúa nương, cây công nghiệp và hoa màu.

Đất Feralit trên phiến thạch sét (G5): Có 5 LMU với tổng diện tích 2008,57 ha nằm trên 51 khoanh, các LMU thích hợp trồng các loại

cây ăn quả, cây công nghiệp lâu năm và làm đồng cỏ chăn thả.

Đất Feralit trên đá biến chất (G6): Có 4 LMU với diện tích 593,57 ha nằm trên 45 khoanh. Việc trồng trọt trên đất này cần lựa chọn tầng đất và độ dốc mới đảm bảo thâm canh được lâu dài.

Đất Feralit trên đá macma trung tính (G7): Có 2 LMU với tổng diện tích 1194,32 ha nằm trên 22 khoanh, các LMU này thích hợp cho việc trồng màu, cây công nghiệp dày ngày, cây ăn quả.

Đất lầy thụt (G8): Có 2 LMU với tổng diện tích 60,00 ha nằm trên 7 khoanh. Các LMU này hạn chế về việc canh tác do phần lớn là địa hình trũng và thường xuyên bị úng lụt.

KẾT LUẬN

Ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) để thành lập bản đồ đơn vị đất đai thông qua việc chồng xếp 4 bản đồ đơn tính: Loại đất, độ dốc, địa hình tương đối, và chế độ tưới. Từ 40635,47 ha đất sản xuất nông nghiệp trồng cây hàng năm của huyện Định Hóa đã xác định được 34 đơn vị đất đai gồm 308 khoanh đất. Trung bình mỗi đơn vị đất đai có diện

Trương Thành Nam và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 75 - 80

80

tích 304,22 ha. Đơn vị đất đai có diện tích nhỏ nhất là LMU 34 với diện tích là 15 ha, chiếm 0,04 % diện tích đất nông nghiệp trồng cây hàng năm. Đơn vị đai có diện tích lớn nhất là LMU 17 với diện tích là 1107.34 ha, chiếm 2,72% diện tích đất nông nghiệp trồng cây hàng năm. Bản đồ đơn vị đất đai huyện Định Hóa được thành lập sẽ giúp cho công tác đánh giá đất, quy hoạch sử dụng đất của huyện một cách hiệu quả hơn.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO [1]. FAO (1994), Land Evaluation and Farming Systems Analysis for Land Use Planning, Working document, Rome. [2]. Vũ Thị Bình (1995), Đánh giá đất đai phục vụ định hướng quy hoạch nâng cao hiệu quả sử dụng đất huyện Gia Lâm vùng đồng bằng sông Hồng, Luận án phó tiến sỹ KHNN, Hà Nội. [3]. Mẫn Quang Huy (1999), Ứng dụng GIS thiết kế cơ sở dữ liệu bản đồ cho hệ thống thông tin đánh giá tài nguyên đất cấp huyện, Luận văn Thạc sỹ nông nghiệp, Đại học Nông nghiệp I, Hà Nội.

SUMMARY APPLYING GEOGRAPHICAL INFORMATION SYSTEMS (GIS) IN CREATING THE LAND UNIT MAPS OF DINH HOA DISTRICT, THAI NGUYEN PR OVINCE

Truong Thanh Nam1∗, Lam Thu Ha1, Ha Anh Tuan2

1College of Agriculture and Forestry, 2Thai Nguyen University

The research applied Geographical Information System (GIS) in creating the land unit maps based on 4 mono-characteristic maps, including: soil classification, slope of the line terrain, physical components and irrigation. From 40635,47 ha of agricultural land used for annual crops in Dinh Hoa district - Thai Nguyen province, this research identified 34 land units including 308 plots. On an average, each land unit consists of 304,22 ha. The land unit map of Dinh Hoa district established will be assist the land evaluation and classification as well as the agricultural land use planning more efficiently. Key words: GIS, LMU, Dinh Hoa, land use, map.

∗ Tel: :0986767535, Email: thanhnam.tuaf@gmail.com

Nguyễn Thị Vân Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 81 - 83

81

MỘT KẾT QUẢ SỐ CỦA PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH BẤT ĐẲNG THỨC BIẾN PHÂN HỖN HỢP

Nguyễn Thị Vân Anh*

Trường Đại học Khoa học - ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT Bài toán bất đẳng thức biến phân hỗn hợp đơn điệu xuất hiện trong nhiều ứng dụng của toán học, chẳng hạn bài toán lồi, phương trình phi tuyến, mô hình cân bằng trong kinh tế và kĩ thuật. Bài

toán này được phát biểu như sau: Cho X là một không gian Banach thực phản xạ, X là không gian liên hợp của X , :A X X→ là một toán tử phi tuyến đơn điệu, hemi-liên tục, : Xϕ → R là

một phiếm hàm lồi chính thường nửa liên tục dưới trên X . Với f X∈ cho trước, hãy tìm

phần tử 0x X∈ sao cho

XxxxxxfxA ∈∀≥−+−− ,0)()(,)( 000 ϕϕ (1)

ở đây ta viết xx ,∗ thay cho )(xx∗ với ∗∗ ∈ Xx và Xx∈ .

Mục đích của bài báo này là đưa ra một ví dụ minh họa cho tốc độ hội tụ của nghiệm hiệu chỉnh cho bài toán (1.1) với toán tử ngược đơn điệu mạnh. Từ khóa: Toán tử đơn điệu, bất đẳng thức biến phân hỗn hợp, hiệu chỉnh Tikhonov, tốc độ hội tụ.

∗MỞ ĐẦU

Xét bài toán bất đẳng thức biến phân hỗn hợp đơn điệu (1.1) trong không gian Banach phản xạ thực X . Sự tồn tại nghiệm của bài toán (1.1) được trình bày trong [2]. Nếu A là đạo hàm Gâteaux của phiếm hàm lồi F xác định trên X thì bài toán (1.1) trở thành bài toán cực trị lồi không khả vi

min ( ) ( )x X

F x xϕ∈

+ (1.2)

Bài toán (1.1) nói chung là một bài toán đặt

không chỉnh theo nghĩa tập nghiệm 0S của

bài toán không phụ thuộc liên tục vào dữ kiện

( ), ,A f ϕ . Để giải bài toán này, Liskovets

[3] đã nghiên cứu phương pháp hiệu chỉnh trên cơ sở giải bất đẳng thức biến phân phụ thuộc tham số:

XxxxxxfxxUxA sh ∈∀≥−+−−−+ ∗ ,0)()(,)()( τ

αεεταδ

τα

τα ϕϕα

(1.3)

ở đây 0α > là tham số hiệu chỉnh, SU là

ánh xạ đối ngẫu của X , ( ), ,hA fδ εϕ là xấp

xỉ của ( ), ,A f ϕ , ( ), ,hτ δ ε= .

∗ Email: anh.nguyenvan849@gmail.com

Định nghĩa 1.1. Toán tử :A X X→ được gọi là

i) đơn điệu nếu

( ) ( ), 0, , ( )A x A y x y x y D A− − ≥ ∀ ∈ ;

ii) ngược đơn điệu mạnh nếu 2

( ) ( ), ( ) ( ) , , ( )AA x A y x y m A x A y x y D A− − ≥ − ∀ ∈

ở đây Am là một hằng số dương.

Định nghĩa 1.2. Ánh xạ *:sU X X→ xác định bởi

1* * * *( ) : , .ssU x x X x x x x x−

= ∈ = = ,

s≥ 2

được gọi là ánh xạ đối ngẫu tổng quát của không gian X .

Trong bài báo này, chúng ta sử dụng bất đẳng thức biến phân hiệu chỉnh (1.3) với các điều kiện:

1) ∗→ XXAh : là toán tử đơn điệu, hemi-

liên tục và là xấp xỉ của toán tử A sao cho:

( ) ,0,)()( →≤− hxhgxAxAh

(1.4)

ở đây ( )g t là hàm không âm thỏa mãn

0 1 0 1( ) , 1, , 0g t g g t s g gη η≤ + = − ≥ ;

Nguyễn Thị Vân Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 81 - 83

82

2) δf là xấp xỉ của

0,: →≤− δδδ fff ;

3) εϕ là hàm xác định trên X có tính chất

giống như ϕ , và

( )XyxyxCyx

xdxx

∈∀−≤−

→≤−

,,)()(

,0,)()(

εε

ε

ϕϕεεϕϕ (1.5)

ở đây C là một hằng số dương, )(td có tính

chất giống như )(tg và ∗x là một phần tử

trong X đóng vai trò là tiêu chuẩn chọn.

Sự tồn tại duy nhất nghiệm ταx của bài toán

(1.3) và sự hội tụ của dãy nghiệm hiệu chỉnh ταx đến nghiệm 00 Sx ∈ có x

-chuẩn nhỏ

nhất được trình bày trong [3]. Với tham số hiệu chỉnh được chọn tiên nghiệm, tốc độ hội tụ của nghiệm hiệu chỉnh được công bố trong định lý sau (xem [1].

Định lý 1.3. Giả sử các điều kiện sau thỏa mãn i) A là một toán tử ngược đơn điệu mạnh từ X vào X* và khả vi Fréchet với tính chất

0 ' 0 0 0( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) , ,Ax Ax A x x x Ax Ax x Xτ− − − ≤ − ∀ ∈ở đây A'(x) là đạo hàm Fréchet của A tại x và τ là một hằng số dương;

ii) tồn tại một phần tử z ∈ X sao cho ' 0 * 0

*( ) ( )sA x z U x x= − ;

iii) tham số α được chọn bởi

( ) , 0 1hηα δ ε η+ + < < .

Khi đó, 0

( , , )

1(( ) ), min ,

2hx x O hs s

τ µα δ ε

η ηδ ε µ − − = + + =

VÍ DỤ SỐ

Chúng ta xét bài toán cực trị (1.2) trong

không gian hữu hạn chiều MR

min ( ) ( )Mx

F x xϕ∈

+R

(2.1)

với xAxxF ,21

)( = , ở đây A là một ma

trận vuông đối xứng cấp M thỏa mãn

, 0, MAx x x≥ ∀ ∈R . Khi đó:

0Mx ∈R là nghiệm của (2.1) khi và chỉ khi

0x là nghiệm của bất đẳng thức biến phân hỗn

hợp (1.1) (xem [2]). Rõ ràng toán tử A có tính chất ngược đơn điệu mạnh và khả vi Fréchet. Xét trường hợp hàm ϕ không trơn, hàm này có thể được xấp xỉ bởi dãy hàm trơn và đạo hàm của nó là một toán tử đơn điệu. Khi đó phương pháp hiệu chỉnh (1.3) có dạng

θϕα ταε

τα

τα =′+−+ ∗ )()()( xxxxAh (2.2)

Ta xét một ví dụ

Cho TA B B= là ma trận vuông cấp M với

( )ij , 1

M

i jB b

== được xác định bởi

1

2

ij

os(1), 1,...,

2 os(1), 1,...,

( / ) os(ij)sin( ), 3,..., , 1,..., .

j

j

b c j M

b c j M

b epx i j c j i M j M

= == =

= = =

hIAAh +=: với I là một ma trận đơn vị

cấp M .

( ), , ...,T Mfδ δ δ δ= ∈R là xấp xỉ của

( )0, 0, ..., 0T Mf = ∈R

: Mϕ →R R được chọn như sau:

0 , 0( )

, 0M

M M

xx

x xϕ

≤= >

ở đây 1 2( , ,..., ) MMx x x x= ∈R . Hàm này

lồi, liên tục, không khả vi tại

),...,,0( 2 Mxxx = . Xấp xỉ ϕ bởi εϕ

( )2

( ) , ,

( ),

4

M M

MM

x x x

x xx

ε

ϕ ε εϕ ε

ε εε

≤ − >= +

− < ≤

với 0ε > đủ bé cho trước. Khi đó εϕ là một

hàm khả vi và 'εϕ là một toán tử đơn điệu từ MR vào MR .

( )

(0,0,...,0) ,

1' ( ) (0,...0, ) ,

20,...0,1 ,

M

M M

M

x

x x x

x

ε

ε

ϕ ε ε εε

ε

≤ −= + − < ≤ >

Nguyễn Thị Vân Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 81 - 83

83

Rõ ràng ( )0 0, 0, ..., 0T Mx = ∈R là

nghiệm của bài toán (2.1) có chuẩn nhỏ nhất. Bây giờ áp dụng Định lý 1.3 với

MMMMh

1,

1,

1,

1222

==== αεδ

để nhận được tốc độ hội tụ

τα

τα nn xxr ,0, −= .

Sử dụng phương pháp lặp trong [4] với tiêu chuẩn dừng của dãy lặp là:

0001.0max )1()(

1≤− −

≤≤

nj

nj

Mjxx ,

ở đây n là số lần lặp. Bảng kết quả tính toán sau đây nhận được với xấp xỉ ban đầu

( )0 2, 2, ..., 2T Mz = ∈R :

M n α ,nr τα

6 44 0,09172 0,0015437

12 41 0,036399 0,0012843

24 36 0,014445 0,0012819

48 27 0,0057325 0,0014711

96 26 0,0022749 0,00089006

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1]. Ng. Buong and Ng. T. T. Thuy (2008), "On regularization parameter choice and convergence rates in regularization for ill-posed mixed variational inequalities", International Journal of Contemporary Mathematical Sciences, 4(3), pp. 181-198. [2]. I. Ekeland and R. Temam, (1970), Convex Analysis and Variational Problems, North-Holland Publ. Company, Amsterdam, Holland, 1970. [3]. O. A. Liskovets (1991), Regularization for ill-posed mixed variational inequalities, Soviet Math. Dokl., 43, 384-387 (in Russian). [4]. Ng. T. T. Thuy (2010), “An iterative method to a common solution of inverse-strongly problems in Hilbert spaces”, Advances and Applications in Mathematical Siences, pp. 165-174.

SUMMARY A NUMERICAL RESULTS OF REGULARIZATION METHOD FOR MI XED VARIATIONAL INEQUALITY

Nguyen Thi Van Anh∗

College of Sciences - Thai Nguyen University

Variational inequality problems appear in many applications of mathematics such as convex

programming, nonlinear equations, equilibrium models in economics, technics. We suppose that X is a real reflexive Banach space having a property that the weak and norm convergences of any sequence

in X infoly its strong convergences, and the dual space X of X is strictly convex. We write

xx ,∗ instead of )(xx∗ for ∗∗ ∈ Xx and Xx∈ . Then, the mixed variational inequality problem

can be formulated as follow: for a given f X∈ , find an element 0x X∈ so that

0 0 0( ) , ( ) ( ) 0,A x f x x x x x Xϕ ϕ− − + − ≥ ∀ ∈ .

In this note some numerical experiments to illustration for convergence rates of regularized solution for ill-posed inverse-strongly monotone mixed variational inequalities are presented. Key words: Monotone operators, mixed variational inequalities, Tikhonov regularization, convergence rate.

∗ Email: anh.nguyenvan849@gmail.com

Nguyễn Thị Vân Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 81 - 83

84

Nguyễn Tuấn Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 85 - 87

85

TỐC ĐỘ HỘI TỤ CỦA NGHIỆM HI ỆU CHỈNH CỦA BẤT ĐẲNG THỨC BIẾN PHÂN VỚI TOÁN TỬ NHIỄU KHÔNG ĐƠN ĐIỆU

Nguyễn Tuấn Anh*

Trường THPT Trần Quốc Tuấn - Thái Nguyên

TÓM TẮT Bất đẳng thức biến phân đơn điệu là lớp bài toán nảy sinh từ nhiều vấn đề của toán học ứng dụng như phương trình vi phân, các bài toán vật lý toán, tối ưu hóa. Bài toán bất đẳng thức biến phân đơn điệu được phát biểu như sau: cho X là một không gian Banach phản xạ thực, *X là không

gian liên hợp của X , *:A X X→ là toán tử đơn điệu, đơn trị, K là tập con lồi đóng của X .

Với phần tử *f X∈ cho trước, hãy tìm phần tử 0x X∈ sao cho

0 0, 0 ,Ax f x x x K− − ≥ ∀ ∈ (1)

ở đây * ,x x là kí hiệu giá trị phiếm hàm tuyến tính liên tục * *x X∈ tại x X∈ .

Mục đích của bài báo này là nghiên cứu tốc độ hội tụ của nghiệm hiệu chỉnh của phương pháp hiệu chỉnh cho bài toán (1) trong trường hợp toán tử nhiễu không đơn điệu với tham số hiệu chỉnh được chọn tiên nghiệm. Từ khóa: Toán tử đơn điệu, ánh xạ đối ngẫu, phương pháp hiệu chỉnh, tham số hiệu chỉnh, tốc độ hội tụ.

∗ GIỚI THIỆU

Xét bài toán bất đẳng thức biến phân đơn điệu (1) trong không gian Banach phản xạ thực X . Khi toán tử A không có tính đơn điệu đều hoặc đơn điệu mạnh thì bài toán (1) nói chung là bài toán đặt không chỉnh. Trong trường hợp

toán tử nhiễu *:hA X X→ của A không

có tính chất đơn điệu, Liskovets [3] đã xây dựng nghiệm hiệu chỉnh cho bài toán này trên

cơ sở tìm phần tử x Kτα ∈ sao cho

( )*( ) ,

, ,

s

hA x U x x f x x

vg x x x x K x K

τ τ τα α δ α

τ τ τα α α

α+ − − − ≥

− − ∀ ∈ ∈ (2)

Trong đó fδ là xấp xỉ của f , sU là ánh xạ

đối ngẫu của X , 0α > là tham số hiệu

chỉnh phụ thuộc vào ( ),hτ δ= , *x là phần

tử cho trước, v h≥ .

Ta nhắc lại một vài định nghĩa sau (xem [1], [2]).

Định nghĩa 1.1. Toán tử A được gọi là đơn điệu nếu:

( ) ( ), 0 , , ( )A x A y x y x y D A− − ≥ ∀ ∈

∗ Tel: 0912 157308, Email: tuananhtqt@gmail.com

Định nghĩa 1.2. Toán tử A được gọi là hemi-liên tục trên X nếu ( )A x ty+ hội tụ yếu tới

Ax khi 0t +→ với mọi ,x y X∈ , và A được gọi là demi-liên tục trên X nếu từ

nx x→ suy ra nAx hội tụ yếu tới Ax khi

n → ∞ .

Định nghĩa 1.3. Toán tử đơn trị *:A X X→ được gọi là ngược đơn điệu mạnh nếu tồn tại

một hằng số 0Am > thỏa mãn 2

( ) ( ), ( ) ( ) ,

, ( ).AA x A y x y m A x A y

x y D A

− − ≥ −∀ ∈

Định nghĩa 1.4. Ánh xạ *:SU X X→ (nói chung đa trị) xác định bởi:

1* * * * *( ) : , . ; , 2,ssU x x X x x x x x x s−= ∈ = = ≥

khi s = 2 thì Us thường được viết là U và được gọi là ánh xạ đối ngẫu chuẩn tắc của X. Trong bài báo này, chúng tôi sử dụng bất đẳng thức biến phân hiệu chỉnh (2) với các điều kiện sau:

1) ∗→ XXAh : là toán tử không nhất thiêt

đơn điệu, hemi-liên tục và là xấp xỉ của toán tử A sao cho:

( ) ,0,)()( →≤− hxhgxAxAh (3)

Nguyễn Tuấn Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 85 - 87

86

Ở đây ( )g t là hàm không âm thỏa mãn

0 1 0 1( ) , 1, , 0g t g g t s g gγ γ≤ + = − ≥ ;

2) δf là xấp xỉ của f thỏa mãn

, 0f fδ δ δ− ≤ → ; (4)

3) Ánh xạ đối ngẫu sU thỏa mãn điều kiện

( ) ( ), , 0.ss s

U UU x U y x y m x y m− − ≥ − > (5)

KẾT QUẢ

Định lý. Cho X là một không gian Banach phản xạ thực, lồi chặt và A: X → X* là một toán tử đơn điệu, bị chặn, hemi-liên tục với D(A) = X, Ah là toán tử hemi-liên tục, không đơn điệu. Giả sử:

i) với mỗi h, δ > 0 các điều kiện (3) và (4) thỏa mãn;

ii) Us thỏa mãn điều kiện (5)

iii) A là một toán tử ngược đơn điệu mạnh, khả vi Fréchet trong lân cận của x0 ∈ S0 và thỏa mãn

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )'0 0 0 ;A x A x A x x x A x A xτ− − − ≤ −%

(6)

iv) tồn tại phần tử z X∈ sao cho * *

0 0'( ) ( )sA x z U x x= − .

Khi đó, nếu tham số hiệu chỉnh ( , )vα α δ= được chọn sao cho:

( ) ( ) 1

1, ,0 1ηα ν δ ν δ η= + < <

thì ta có đánh giá

( ) ( )( )1 1 10 1,

1, min ,

2x x O

s s

µτα ν δ

η ην δ µ − − = + =

Chứng minh: Từ (1) và (2) suy ra:

* 0( ) ,shA x U x x f x xτ τ τ

α α δ αα+ − − −

0 0 0, ( ) .Ax f x x vg x x xτ τ τα α α+ − − ≥ − −

(7)

Bất đẳng thức này tương đương với

( ) ( )( )

( )

* 0 * 0

0 * 0

0

0 0 0

0

,

,

,

, ,

.

s s

s

h

s

U x x U x x x x

U x x x x

A x Ax x x

Ax Ax x x f f x x

g x x x

τ τα α

τα

τ τ τα α α

τ τ τα α α

τ τα α

α

α

ν

− − − − ≤

≤ − −

+ − −

+ − − + − −

+ −

(8)

Sử dụng tính chất của Us, tính đơn điệu của A, từ (3)-(5) và (8) ta nhận được:

( )0 0

s

s

hm x x g x x xτ τ τ

α α αν δ

α α+ − ≤ + −

( )0 * 0,sU x x x xτα+ − − (9)

Tính bị chặn của dãy xτα

được suy từ (9) và

tính chất của g(t) và α. Mặt khác từ (8), tính chất của Us và tính ngược đơn điệu mạnh của A ta nhận được:

( ) ( ) ( ) ( )2 110 * 0

s

AA x A x m h v g x x x x xτ τ τ τα α α αδ α

−− − ≤ + + + − × −

Suy ra,

( ) ( ) ( )0A x A x Oτα δ ν α− = + + .

Hơn nữa từ các điều kiện iii), iv) và đánh giá cuối cùng ta được:

( ) ( )( )'0 * 0 0 0, ,sU x x x x z A x x xτ τ

α α− − = −

( ) ( )

( )01

1

z A x A x

z O

τατ

τ δ ν α

≤ + −

≤ + + +

Vậy (9) có dạng

( ) ( ) ( )0 0

21

s

s

vg xm x x x x z O

τατ τ

α α

δτ δ ν α

α+

− ≤ − + + + +%

(10)

Vì α được chọn trước thỏa mãn:

( ) 1

1,0 1ηα ν δ η+ < < , nên từ (10) suy ra:

( ) ( ) ( ) ( )1 11 /2

0 1 0 2, ,

s

sm x x C x x Cη ητ τ

α ν δ α ν δν δ ν δ−− ≤ + − + +

Do đó, ( ) ( )( )1

0,x x Oµτ

α ν δ ν δ− = + .

Nguyễn Tuấn Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 85 - 87

87

SUMMARY CONVERGENCE RATE OF REGULARIZED SOLUTIONS OF VARIAT IONAL INEQUALITY WITH NON-MONOTONE PERTURBATIONS

Nguyen Tuan Anh∗

Tran Quoc Tuan High School – Thai Nguyen

Monotone variational inequality problems appear in many applications of mathematics such as differential equations, maths of mathematical physics and optimization. The monotone variational

inequality problem is spoken as follows: Let X be a real reflexive Banach with its dual space*X ,

*:A X X→ is a monotone operator, K is a closed convex subset in X . For a given *f X∈ , find an

elements0x X∈ so that

0 0, 0 ,Ax f x x x K− − ≥ ∀ ∈ (1)

In this situation * ,x x is writen instead of * ( )x x for * *x X∈ and x X∈ .

The purpose of this paper is to study convergence rates of regularized solutions of a regularization method for (1) with non-monotone perturbations in Banach spaces on the based a priori regularization parameter choice. Key words: monotone operators, duality mapping, regularization method, regularization parameter, convergence rates.

∗ Tel: 0912 157308, Email: tuananhtqt@gmail.com

Nguyễn Tuấn Anh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 85 - 87

88

NghiÖm kh«ng tÇm th­êng cña mét líp bµi to¸n biªncho ph­¬ng tr×nh elliptic suy biÕn

Ph¹m ThÞ Thuû - TrÇn HuÖMinh (§HSP - §H Th¸i Nguyªn)

1. Më ®Çu

Trong [4] Pohozaev nghiªn cøu sù tån t¹i nghiÖm kh«ng tÇm th­êng cñabµi to¸n:

∆u+ up = 0 trong Ωu|∂Ω = 0u > 0 trong Ω,

ë ®©y Ω lµ miÒn giíi néi trong Rn víi biªn tr¬n.

Trong ®ã t¸c gi¶ ®· chøng minh ®­îc lµ nÕu p >n+ 2

n− 2, (n ≥ 3) vµ Ω lµ

h×nh sao th× bµi to¸n trªn kh«ng cã nghiÖm. Trong [1], [2] N.M.TrÝ ®· më réngc¸c kÕt qu¶ cña Pohozaev cho mét líp c¸c ph­¬ng tr×nh elliptic suy biÕn. CôthÓ xÐt bµi to¸n sau:

∂2u

∂x2 + x2k∂2u

∂y2 + up = 0 trong Ω

u|∂Ω = 0u > 0 trong Ω,

ë ®©y Ω lµ miÒn giíi néi biªn tr¬n trong R2. T¸c gi¶ ®· thiÕt lËp ®­îc c¸c

kÕt qu¶ sau: NÕu p >4 + k

kvµ Ω lµ k- sao th× bµi to¸n kh«ng cã nghiÖm.

Trong bµi b¸o nµy, chóng t«i nghiªn cøu bµi to¸n sau:Gi¶ sö Ω lµ miÒn giíi néi víi biªn ∂Ω tr¬n trong R3, α, β,∈ R.

Pu+g(u) =∂2u

∂x21+∂2u

∂x22+x2α

1 x2β2∂2u

∂x23+g(u) = 0 trong Ω (1.1)

u|∂Ω = 0 (1.2)g(0) = 0, g(u) ∈ C(R), G(u) =

∫ u

0 g(s)ds,

v = (v1, v2, v3) lµ vÐct¬ ph¸p tuyÕn ngoµi ®¬n vÞ trªn ∂Ω ®èi víi Ω.§Çu tiªn chóng t«i thiÕt lËp ®­îc ®ång nhÊt thøc Pohozaev, sau ®ã dùa trªn

®ång nhÊt thøc nµy chóng t«i ®­a ra c¸c ®Þnh lý vÒ sù kh«ng tån t¹i nghiÖmkh«ng tÇm th­êng cña bµi to¸n.2. C¸c kÕt qu¶ chÝnh

§Þnh nghÜa: Ω ®­îc gäi lµ P− h×nh sao víi ®iÓm 0 nÕu bÊt ®¼ng thøc

(v21 + v2

2 + x2α1 x

2β2 v

23)(x1v1 + x2v2 + (α + β + 1)x3v3) > 0

1

2

tho¶ m·n hÇu kh¾p n¬i trªn biªn ∂Ω.Bæ ®Ò: Gäi u(x) lµ nghiÖm cña bµi to¸n (1.1), (1.2), khi ®ã hµm u(x) tho¶

m·n hÖ thøc∫Ω (α + β + 3)G(u)− α + β + 1

2g(u).udx1dx2dx3

=1

2

∫∂Ω(v2

1+v22+x2α

1 x2β2 v

23)(x1v1+x2v2+(α+β+1)x3v3)(

∂u

∂v)2ds (1.3)

Chøng minh

Ta cã∂

∂x1(x1G(u)) = G(u) +

∂

∂x1.x1.g(u);

∂

∂x2(x2G(u)) = G(u) +

∂

∂x2.x2.g(u);

∂

∂x3(x3G(u)) = G(u) +

∂

∂x3.x3.g(u)

LÊy tÝch ph©n hai vÕ vµ ¸p dông c«ng thøc Green, ta ®­îc:∫ΩG(u)dx1dx2dx3 = −

∫Ω∂u

∂x1x1g(u)dx1dx2dx3;∫

ΩG(u)dx1dx2dx3 = −∫

Ω∂u

∂x2x2g(u)dx1dx2dx3;

γ∫

ΩG(u)dx1dx2dx3 = −γ∫

Ω∂u

∂x3x3g(u)dx1dx2dx3

Céng vÕ víi vÕ ta ®­îc:

I = (2+γ)∫

ΩG(u)dx1dx2dx3 = −∫

Ω(∂u

∂x1x1+

∂u

∂x2x2+γ

∂u

∂x3x3)g(u)dx1dx2dx3.

Tõ (1.1) suy ra g(u) = −(∂2u

∂x21

+∂2u

∂x22

+ x2α1 x

2β2∂2u

∂x23). Thay vµo ta ®­îc

I =∫

Ω(∂u

∂x1x1+

∂u

∂x2x2+γ

∂u

∂x3x3)(

∂2u

∂x21+∂2u

∂x22+x2α

1 x2β2∂2u

∂x23)dx1dx2dx3. (1.4)

Ta cã∫Ω x1

∂u

∂x1

∂2u

∂x21dx1dx2dx3 =

1

2

∫Ω∂

∂x1(x1(

∂u

∂x1)2)dx1dx2dx3−

1

2

∫Ω(∂u

∂x1)2dx1dx2dx3

= −1

2

∫Ω(∂u

∂x1)2dx1dx2dx3+

1

2

∫∂Ω(x1v1)(

∂u

∂x1)2ds (1.5)

BiÕn ®æi t­¬ng tù ta ®­îc:∫Ω x2

∂u

∂x2

∂2u

∂x22dx1dx2dx3 = −1

2

∫Ω(∂u

∂x2)2dx1dx2dx3+

1

2

∫∂Ω(x2v2)(

∂u

∂x2)2ds (1.6)

Ta cã:∂

∂x2(x1

∂u

∂x1

∂u

∂x2) = x1

∂2u

∂x2∂x1.∂u

∂x2+ x1

∂u

∂x1

∂2u

∂x22

Do vËy:

3

∫Ω x1

∂u

∂x1

∂2u

∂x22dx1dx2dx3 =

∫Ω∂

∂x2(x1

∂u

∂x1

∂u

∂x2)dx1dx2dx3

−∫

Ω x1∂2u

∂x2∂x1.∂u

∂x2dx1dx2dx3

=∫∂Ω(x1v2)

∂u

∂x1

∂u

∂x2ds−

∫Ω x1

∂2u

∂x2∂x1.∂u

∂x2dx1dx2dx3

MÆt kh¸c:∫Ω x1

∂2u

∂x2∂x1.∂u

∂x2dx1dx2dx3 =

1

2

∫Ω∂

∂x1(x1(

∂u

∂x1)2)dx1dx2dx3−

1

2

∫Ω(∂u

∂x1)2dx1dx2dx3

nªn ∫Ω x1

∂u

∂x1

∂2u

∂x22dx1dx2dx3 =

∫∂Ω(x1v2)

∂u

∂x1

∂u

∂x2ds− 1

2

∫∂Ω(x1v1)(

∂u

∂x2)2ds+

+1

2

∫Ω(∂u

∂x2)2dx1dx2dx3 (1.7)

BiÕn ®æi t­¬ng tù nh­ trªn ta ®­îc:∫Ω x2

∂u

∂x2

∂2u

∂x21dx1dx2dx3 =

∫∂Ω(x2v1)

∂u

∂x1

∂u

∂x2ds− 1

2

∫∂Ω(x2v2)(

∂u

∂x1)2ds+

+1

2

∫Ω(∂u

∂x1)2dx1dx2dx3 (1.8)

Ta cã:

γ∫

Ω x3∂u

∂x3

∂2u

∂x21dx1dx2dx3 = γ

∫Ω∂

∂x1(x3

∂u

∂x3

∂u

∂x1)dx1dx2dx3

−γ∫

Ω x3∂2u

∂x1∂x3

∂u

∂x1dx1dx2dx3 = γ

∫∂Ω(x3v1)

∂u

∂x3

∂u

∂x1ds

−γ∫

Ω x3∂2u

∂x1∂x3

∂u

∂x1dx1dx2dx3 (1.9)

MÆt kh¸c1

2

∂

∂x3(x3(

∂u

∂x1)2) = x3

∂u

∂x1

∂2u

∂x1∂x3+

1

2(∂u

∂x1)2.

V× vËy:

γ∫

Ω x3∂2u

∂x1∂x3

∂u

∂x1dx1dx2dx3 = −γ

2

∫Ω(∂u

∂x1)2dx1dx2dx3+

γ

2

∫∂Ω(x3v3)(

∂u

∂x1)2ds (1.10)

Tõ (1.9) vµ (1.10) ta ®­îc:

γ∫

Ω x3∂u

∂x3

∂2u

∂x21dx1dx2dx3 = γ

∫∂Ω(x3v1)

∂u

∂x3

∂u

∂x1ds−γ

2

∫∂Ω(x3v3)(

∂u

∂x1)2ds+

+γ

2

∫Ω(∂u

∂x1)2dx1dx2dx3 (1.11)

BiÕn ®æi t­¬ng tù nh­ trªn ta ®­îc:

γ∫

Ω x3∂u

∂x3

∂2u

∂x22dx1dx2dx3 = γ

∫∂Ω(x3v2)

∂u

∂x3

∂u

∂x2ds−γ

2

∫∂Ω(x3v3)(

∂u

∂x2)2ds+

+γ

2

∫Ω(∂u

∂x2)2dx1dx2dx3 (1.12)

4

Ta cã:∂

∂x3(x2α+1

1 x2β2∂u

∂x1

∂u

∂x3) = x2α+1

1 x2β2∂u

∂x1

∂2u

∂x23

+ x2α+11 x2β

2∂2u

∂x3∂x1

∂u

∂x3

VËy∫

Ω x2α+11 x2β

2∂u

∂x1

∂2u

∂x23dx1dx2dx3 =

=∫

Ω∂

∂x3(x2α+1

1 x2β2∂u

∂x1

∂u

∂x3)dx1dx2dx3 −

∫Ω x

2α+11 x2β

2∂2u

∂x3∂x1

∂u

∂x3dx1dx2dx3

=∫∂Ω x

2α+11 x2β

2 v3∂u

∂x1

∂u

∂x3ds−

∫Ω x

2α+11 x2β

2∂2u

∂x3∂x1

∂u

∂x3dx1dx2dx3 (1.13)

MÆt kh¸c∂

∂x1(x2α+1

1 x2β2 (

∂u

∂x3)2) = (2α + 1)x2α

1 .x2β2 (

∂u

∂x3)2 + x2α+1

1 x2β2 .2

∂u

∂x3

∂2u

∂x1∂x3,

nªn∫Ω x

2α+11 x2β

2∂2u

∂x3∂x1

∂u

∂x3dx1dx2dx3 =

1

2

∫Ω∂

∂x1(x2α+1

1 x2β2 (

∂u

∂x3)2)dx1dx2dx3−

−1

2(2α+1)

∫Ω x

2α1 x

2β2 (

∂u

∂x3)2)dx1dx2dx3. (1.14)

Tõ (1.13) vµ (1.14) ta ®­îc:∫Ω x

2α+11 x2β

2∂u

∂x1

∂2u

∂x23dx1dx2dx3 =

∫∂Ω x

2α+11 x2β

2 v3∂u

∂x1

∂u

∂x3ds

−1

2

∫∂Ω x

2α+11 x2β

2 v1(∂u

∂x3)2ds+ +

2α + 1

2

∫Ω x

2α1 x

2β2 (

∂u

∂x3)2)dx1dx2dx3. (1.15)

T­¬ng tù nh­ trªn ta tÝnh ®­îc:∫Ω x

2α1 x

2β+12

∂u

∂x2

∂2u

∂x23dx1dx2dx3 =

∫∂Ω x

2α1 x

2β+12 v3

∂u

∂x2

∂u

∂x3ds

−1

2

∫∂Ω x

2α1 x

2β+12 v2(

∂u

∂x3)2ds+ +

2β + 1

2

∫Ω x

2α1 x

2β−12 x2(

∂u

∂x3)2)dx1dx2dx3. (1.16)

Ta cã:∂

∂x3(x3x

2α1 x

2β2 (

∂u

∂x3)2 = x2α

1 x2β2 (

∂u

∂x3)2 + 2x2α

1 x2β2 x3

∂u

∂x3

∂2u

∂x23

Do vËy∫Ω x

2α1 x

2β2 x3γ

∂u

∂x3

∂2u

∂x23dx1dx2dx3 =

γ

2

∫Ω∂

∂x3(x3x

2α1 x

2β2 (

∂u

∂x3)2)dx1dx2dx3−

−γ2

∫Ω x

2α1 x

2β2 (

∂u

∂x3)2dx1dx2dx3

=γ

2

∫∂Ω x3v3x

2α1 x

2β2 (

∂u

∂x3)2ds−γ

2

∫Ω x

2α1 x

2β2 (

∂u

∂x3)2dx1dx2dx3. (1.17)

KÕt hîp (1.4), (1.5), 1.6), (1.7), 1.8), (1.9), (1.10), (1.15), (1.16), (1.17) ta®­îc:

(2+γ)∫

ΩG(u)dx1dx2dx3 = −1

2

∫Ω(∂u

∂x1)2dx1dx2dx3+

1

2

∫∂Ω(x1v1)(

∂u

∂x1)2ds−

5

−1

2

∫Ω(∂u

∂x2)2dx1dx2dx3 +

1

2

∫∂Ω(x2v2)(

∂u

∂x2)2ds+

∫∂Ω(x1v2)

∂u

∂x1

∂u

∂x2ds−

−1

2

∫∂Ω(x1v1)(

∂u

∂x2)2ds+

1

2

∫Ω(∂u

∂x2)2dx1dx2dx3 +

∫∂Ω(x2v1)

∂u

∂x1

∂u

∂x2ds−

−1

2

∫∂Ω(x2v2)(

∂u

∂x1)2ds+

1

2

∫Ω(∂u

∂x1)2dx1dx2dx3+γ

∫∂Ω(x3v1)

∂u

∂x3

∂u

∂x1ds−

−γ2

∫∂Ω(x3v3)(

∂u

∂x1)2ds+

γ

2

∫Ω(∂u

∂x1)2dx1dx2dx3+γ

∫∂Ω(x3v2)

∂u

∂x3

∂u

∂x2ds−

−γ2

∫∂Ω(x3v3)(

∂u

∂x2)2ds+

γ

2

∫Ω(∂u

∂x2)2dx1dx2dx3+

∫∂Ω x

2α+11 x2β

2 v3∂u

∂x1

∂u

∂x3ds−

−1

2

∫∂Ω x

2α+11 x2β

2 v1(∂u

∂x3)2ds+

2α + 1

2

∫Ω x

2α1 x

2β2 (

∂u

∂x3)2)dx1dx2dx3+

+∫∂Ω x

2α1 x

2β+12 v3

∂u

∂x2

∂u

∂x3ds− 1

2

∫∂Ω x

2α1 x

2β+12 v2(

∂u

∂x3)2ds+

+2β + 1

2

∫Ω x

2α1 x

2β−12 x2(

∂u

∂x3)2dx1dx2dx3 +

γ

2

∫∂Ω x3v3x

2α1 x

2β2 (

∂u

∂x3)2ds−

−γ2

∫Ω x

2α1 x

2β2 (

∂u

∂x3)2dx1dx2dx3

Cuèi cïng ta chänγ

2= α + β + 1 − γ

2⇔ γ = α + β + 1, ta ®­îc ®¼ng

thøc (1.3).§Þnh lý sau cã ®­îc do sö dông ®¼ng thøc (1.3)

§Þnh lý 1.1. Gi¶ sö Ω lµ P− h×nh sao ®èi víi ®iÓm 0 vµ

(α + β + 3)G(u)− α + β + 1

2g(u).u < 0 khi u 6= 0.

Khi ®ã kh«ng tån t¹i nghiÖm kh«ng tÇm th­êng u ∈ H2(Ω) cho bµi to¸n

(1.1), (1.2).

§Þnh lý 1.2. Gi¶ sö Ω lµ P− h×nh sao ®èi víi ®iÓm 0 vµ g(u) = |u|γ.uth× víi γ ≥ 4

α + β + 1bµi to¸n (1.1), (1.2) kh«ng cã nghiÖm kh«ng tÇm th­êng

u ∈ H2(Ω)Chøng minh

Gi¶ sö tån t¹i nghiÖm kh«ng tÇm th­êng u. Trong tr­êng hîp nµy ta cã

G(u) =|u|γ+2

γ + 2. Thay G(u) vµ g(u) vµo (1.3) ta ®­îc:∫

Ω (α + β + 3)|u|γ+2

γ + 2)− α + β + 1

2|u|γ+2dx1dx2dx3

=1

2

∫∂Ω(v2

1 +v22 +x2α

1 x2β2 v

23)(x1v1 +x2v2 + (α+β+ 1)x3v3)(

∂u

∂v)2ds

⇔∫

Ω |u|γ+2((α + β + 3)

1

γ + 2− α + β + 1

2)dx1dx2dx3

6

=1

2

∫∂Ω(v2

1 + v22 + x2α

1 x2β2 v

23)(x1v1 + x2v2 + (α + β + 1)x3v3)(

∂u

∂v)2ds

NÕu γ >4

α + β + 1th×

∫Ω |u|

γ+2((α+β+3)1

γ + 2−α + β + 1

2)dx1dx2dx3 < 0

víi u 6= 0. DÉn ®Õn m©u thuÉn.

NÕu γ =4

α + β + 1th×

1

2

∫∂Ω(v2

1 + v22 + x2α

1 x2β2 v

23)(x1v1 + x2v2 + (α + β + 1)x3v3)(

∂u

∂v)2ds = 0

mµ (v21 + v2

2 + x2α1 x

2β2 v

23)(x1v1 + x2v2 + (α + β + 1)x3v3) > 0

⇒ ∂u

∂v|∂Ω ≡ 0⇒ u = 0.

Tãm t¾tTrong bµi b¸o nµy chóng t«i thiÕt lËp ®­îc ®ång nhÊt thøc kiÓu Pohozaev

cho mét bµi to¸n biªn cho ph­¬ng tr×nh elliptic suy biÕn, phi tuyÕn. Dùa vµo®ång nhÊt thøc nµy chóng t«i ®­a ra c¸c ®Þnh lý vÒ sù kh«ng tån t¹i nghiÖmkh«ng tÇm th­êng cña bµi to¸n. KÕt qu¶ trªn lµ më réng cña mét sè kÕt qu¶trong [1], [2], [3].

SummaryIn this paper we establish a Pohozaev'- type identity for BVP for an elliptic

degenerate equation. Based on this identity we give theorems on the non exis-tence of nontrivial solutions. These results extend some previons ones in [1],[2], [3].

Tµi liÖu tham kh¶o[1]. N.M.Tri, Critical Sobolev exponent for hypoelliptic operators, Acta

Mathematica Vietnamica, Vol.23(1998), N1, 83-84.[2]. N.M.Tri,On Grushin's equation,Matematicheskie Zmetki, Vol.63(1998),

N1, 95-105.[3]. N.T.C.Thuy, N.M.Tri, Some existence and non - exitstence results for

boundary value problems (BVP) for semilinear elliptic degenerate operators Russ,

J. Math. Phys., 9, 2002, 366-371.[4]. S.T. Pohozaev, Eigenfuntion for the equation ∆u+λf(u) = 0, Russian

Dokl.Akad.Nauk SSSR, 165(1965), 33-36.[5]. P.T.Thñy, VÒ sù kh«ng tån t¹i nghiÖm kh«ng tÇm th­êng cña mét bµi

to¸n biªn cho ph­¬ng tr×nh elliptic suy biÕn trong R3, T¹p chÝ Khoa häc vµC«ng nghÖ, 4(48), tËp 1(2008), 92-96.

Đỗ Trà Hương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 95 - 99

95

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION Fe3+ CỦA VẬT LI ỆU NANO OXIT MANGAN B ỌC CÁT

Đỗ Trà Hương, Phạm Thị Hà

Trường Đại học Sư phạm - ĐH Thái nguyên

TÓM TẮT

Dựa vào phản ứng oxy hóa khử, chúng tôi đã chế tạo thành công vật liệu hấp phụ (VLHP) oxit mangan kích thước nanomet bọc cát. Từ kết quả chụp ảnh hiển vi điện tử quét cho thấy mẫu VLHP chế tạo được có dạng hình cầu, bề mặt xốp, vật liệu nano oxit mangan đã bọc kín cát. Nghiên cứu quá trình hấp phụ của VLHP với ion Fe3+ bằng phương pháp hấp phụ tĩnh, trên máy quang phổ hấp thụ phân tử. Kết quả cho thấy: Thời gian đạt cân bằng hấp phụ với ion Fe3+ là 180 phút. pH hấp phụ tốt nhất là 2,5. Trong khoảng nồng độ từ 49,857÷520,833mg/l, khi nồng độ ban đầu của ion Fe3+ tăng, thì dung lượng hấp phụ đều tăng. Khi tăng khối lượng VLHP từ 0,5÷4,0g, thì dung lượng hấp phụ giảm. Mô tả quá trình hấp phụ theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir đã xác định được dung lượng hấp phụ cực đại của VLHP đối với ion Fe3+ là 2,402mg/g. Từ khóa: Vật liệu hấp phụ, oxit mangan, bọc cát, hấp phụ, nanomet.

∗ MỞ ĐẦU

Số lượng ngày càng tăng các kim loại nặng trong môi trường là nguyên nhân gây nhiễm độc đối với các nguồn nước. Việc loại trừ các kim loại nặng độc ra khỏi các nguồn nước là một trong những mục tiêu môi trường quan trọng bậc nhất phải giải quyết hiện nay. Nguồn gốc phát thải của kim loại nặng có thể là tự nhiên hoặc từ hoạt động của con người, chủ yếu là từ các chất thải công nghiệp và từ nông nghiệp...Đã có nhiều phương pháp được đưa ra nhằm loại bỏ kim loại nặng trong nước như: Bay hơi, kết tủa, đổi ion, hấp phụ, thẩm thấu ngược và lọc nano…Trong đó hấp phụ là một trong những phương pháp có nhiều có nhiều ưu điểm so với các phương pháp khác vì vật liệu sử dụng làm hấp phụ tương đối phong phú, dễ điều chế, không đắt tiền, thân thiện với môi trường, đặc biệt không làm nguồn nước ô nhiễm thêm. Chính vì vậy đây là vấn đề đang và được nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu [1-8]. Hiện nay phương pháp tổng hợp vật liệu oxit kích thước nanomet đang được phát triển mạnh trên thế giới [2,6-8]. Trong bài báo này chúng tôi giới thiệu một số kết quả nghiên cứu khả năng hấp phụ của vật liệu hấp phụ oxit mangan kích thước nanomet bọc cát được chế tạo bằng phản ứng

∗ Tel: 0977 583899, Email: dotrhuong@gmail.com

oxy hóa khử với ion Fe3+.

THỰC NGHIỆM

Hóa chất và thiết bị

Hóa chất

- MnSO4.H2O, (NH4)2S2O8, AgNO3:

-Fe2(SO4)3, H2SO4 0,1M, HCl 1M NaOH 0,1M, axit 5-sulfosalicylic.

Thiết bị

- Cân điện tử 4 số Precisa XT 120A- Switland, máy đo pH Precisa 900 (Thuỵ Sĩ), tủ sấy Jeitech (Hàn Quốc, máy quang phổ hấp thụ phân tử UV mini 1240 (Shimadzu - Nhật Bản), máy lắc, máy lọc hút chân không

Chế tạo vật li ệu hấp phụ (VLHP)

Vật liệu hấp phụ oxit mangan kích thước nanomet đã được chế tạo thành công [2]. Trên cơ sở đó chúng tôi tiến hành bọc cát như sau: Chuẩn bị dung dịch gồm 3,8030g MnSO4.H2O với 1,9800g (NH4)2S2O8 hòa tan trong 80ml nước cất và dung dịch gồm 1,1900g AgNO3 hòa tan trong 10ml nước cất. 30g cát đen có kích thước cỡ 1mm được hoạt hóa bằng axit HCl theo tỷ lệ HCl:H2O= 1:1, trong hai ngày, ở điều kiện nhiệt độ phòng, sau đó rửa sạch cát bằng nước sạch đến môi trường trung tính, tiến hành sấy khô ở 1000C đến khối lượng không đổi. Cho 10 ml dung dịch AgNO3 đã chuẩn bị ở trên vào 20,3g cát đen đã được hoạt hóa. Lấy 80ml dung dịch

Đỗ Trà Hương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 95 - 99

96

MnSO4.H2O và (NH4)2S2O8 đã pha vào hỗn hợp cát và AgNO3, khuấy đều hỗn hợp. Hỗn hợp được để hai ngày, ở điều kiện nhiệt độ phòng, sau đó lọc bỏ kết tủa, rửa sạch vài lần bằng cồn tuyệt đối và nước sạch. Tiến hành sấy khô trong chân không đến khối lượng không đổi, thu được VLHP với hàm lượng oxit mangan tẩm là 3%. Ảnh vi cấu trúc và hình thái học của VLHP chế tạo được xác định bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).

Hình 1. Ảnh SEM của vật liệu hấp phụ oxit mangan

kích thước nanomet bọc cát chế tạo được

Từ kết quả chụp ảnh hiển vi điện tử quét cho thấy mẫu VLHP chế tạo được có dạng hình cầu, bề mặt xốp, vật liệu nano oxit mangan đã bọc kín cát. Các thí nghiệm nghiên cứu - Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ. - Khảo sát ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ. - Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đầu đến dung lượng hấp phụ. - Khảo sát ảnh hưởng của lượng chất hấp phụ. - Khảo sát dung lượng hấp phụ cực đại của VLHP đối với ion Fe3+. - Nồng độ của ion Fe3+ trước và sau khi hấp phụ được xác định bằng phương pháp đo quang ở bước sóng 508nm với thuốc thử là axit 5-sulfosalicylic. - Dung lượng hấp phụ tính theo công thức:

m

VcbCCq

)0( −=

Trong đó: - V là thể tích dung dịch (l). - m là khối lượng chất hấp phụ (g). - C0 là nồng độ dung dịch ban đầu (mg/l). - Ccb là nồng độ dung dịch khi đạt cân bằng hấp phụ (mg/l).

- q là dung lượng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g).

- Dung lượng hấp phụ cực đại được xác định theo phương trình hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính.

cbcb

max max

C 1 1.C

q q q .b= +

Trong đó: - qmax là dung lượng hấp phụ cực đại (mg/g). - b là hằng số Langmuir.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Khảo sát thời gian cân bằng hấp phụ của VLHP

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 50 100 150 200 250 300

Thời gian (phút)

q (m

g/g)

Hình 2. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của thời gian

đến quá trình hấp phụ ion Fe3+ của VLHP

Chuẩn bị các bình tam giác dung tích 100 ml. Cho vào mỗi bình 2,0g VLHP và 25ml dung dịch Fe3+ có nồng độ đầu là 49,643 mg/l. Đem lắc trên máy lắc trong khoảng thời gian từ 30÷240 phút và tốc độ lắc 200 vòng/phút, ở nhiệt độ phòng. Sau đó, xác định nồng độ còn lại của ion Fe3+ trong dung dịch sau khi hấp phụ với các khoảng thời gian khảo sát khác nhau. Kết quả được đưa ra ở hình 2.

Hình 2 cho thấy, trong khoảng thời gian khảo sát từ 30 ÷ 240 phút, dung lượng hấp phụ của VLHP đều tăng theo thời gian. Từ 30÷150 phút dung lượng hấp phụ tăng nhanh. Từ 180 đến 240 phút tăng chậm và dần ổn định (quá trình hấp phụ đã đạt cân bằng). Do đó chúng tôi chọn thời gian 180 phút để tiến hành các nghiên cứu tiếp theo đối với sự hấp phụ ion Fe3+.

Đỗ Trà Hương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 95 - 99

97

Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của VLHP

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

pH

q (

mg

/g)

Hình 3. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến quá

trình hấp phụ ion Fe3+ của VLHP

Cho 2,0g VLHP vào mỗi bình và thêm vào 25 ml dung dịch Fe3+ có nồng độ là 49,857mg/l đã được giữ ổn định bởi các dung dịch H2SO4 và NaOH có pH từ 1,51÷2,50. Tiến hành lắc với tốc độ 200 vòng/phút, ở nhiệt độ phòng. Xác định nồng độ còn lại của ion Fe3+ trong dung dịch tương ứng với các giá trị pH đó bằng phương pháp đo quang ở bước sóng 508nm với thuốc thử là axit 5-sulfosalicylic. Kết quả được đưa ra ở hình 3. Từ hình 3 nhận thấy, cho thấy trong khoảng pH từ 1,51÷2,5 dung lượng hấp phụ của VLHP đối với Fe3+ đều tăng. Chúng tôi chỉ khảo sát trong khoảng pH = 1,51÷2,5 vì khi pH ≥ 3 phản ứng thuỷ phân xảy ra đến cùng tạo thành kết tủa của sắt (III) hiđroxo. Vì vậy chúng tôi chọn pH = 2,5 cho các nghiên cứu tiếp theo.

Khảo sát ảnh hưởng của lượng VLHP

Chuẩn bị các bình tam giác có dung tích 100 ml. Lần lượt cho vào mỗi bình một lượng VLHP có khối lượng thay đổi từ 0,5÷4,0g và thêm vào 25 ml dung dịch có nồng độ là 150,357mg/l. Các dung dịch được giữ ổn định ở pH = 2,5. Tiến hành lắc với tốc độ 200 vòng/phút, ở nhiệt độ phòng, trong khoảng thời gian 180 phút. Xác định nồng độ còn lại của Fe3+ trong mỗi dung dịch sau khi hấp phụ bằng phương pháp đo quang ở bước sóng 508nm với thuốc thử là axit 5-sulfosalicylic. Kết quả được đưa ra ở hình 4.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 1 2 3 4 5

Kh ối lượng vật l i ệu hấp phụ (g)

q (

mg/g

)

Hình 4. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của khối lượng VLHP đến quá trình hấp phụ ion Fe3+

Kết quả từ hình 4 cho thấy: khi tăng khối lượng VLHP thì dung lượng hấp phụ giảm, còn hiệu suất hấp phụ của VLHP đối với ion Fe3+ tăng. Điều này phù hợp với quy luật

Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ của VLHP

Cho 2,0g VLHP vào mỗi bình và thêm vào 25 ml dung dịch có nồng độ thay đổi từ 49,857÷520,833mg/l. Các dung dịch được giữ ổn định ở pH=2,5. Tiến hành lắc với tốc độ 200 vòng/phút trong khoảng thời gian cân bằng đã được xác định được. Xác định nồng độ còn lại của ion Fe3+ trong mỗi dung dịch sau khi hấp phụ bằng phương pháp đo quang ở bước sóng 508nm với thuốc thử là axit 5-sulfosalicylic. Kết quả được thể hiện trong bảng 1.

Bảng 1. Ảnh hưởng của nồng độ đầu ion Fe3+ đến dung lượng và hiệu suất hấp phụ của VLHP

Ion Co

(mg/l) q

(mg/g) Ccb/q (g/l)

H (%)

Fe3+

49,857 0,603 1,03 96,725

99,524 1,149 6,631 92,345

201,429 1,659 41,404 65,899

301,190 2,265 52,98 60,158

415,238 2,310 99,753 37,041

520,833 2,335 143,061 30,103

Từ bảng 1 nhận thấy khi tăng nồng độ trong khoảng nồng độ 49,857÷520,833mg/l thì hiệu suất hấp phụ ion Fe3+ của VLHP giảm. Điều này hoàn toàn phù hợp với lí thuyết. Từ các kết quả đã khảo sát ở trên chúng tôi đã tiến hành khảo sát quá trình hấp phụ ion Fe3+ trên

Đỗ Trà Hương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 95 - 99

98

VLHP theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir. Kết quả thể hiện trên hình 5.

y = 0.4163x + 4.5826

R2 = 0.9941

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 100 200 300 400

Ccb(mg/l)

Ccb

/q(g

/l)

Hình 5. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của Ccb/q

vào Ccb của ion Fe3+ trên VLHP

Từ hình 5 cho thấy sự hấp phụ ion Fe3+ của VLHP được mô tả khá tốt theo mô hình đẳng nhiệt Langmuir. Điều này được thể hiện thông qua hệ số hồi quy của phương trình: R2 = 0,9941; Từ đồ thị biểu thị sự phụ thuộc của Ccb/q vào Ccb đối với ion Fe3+

, tính được các giá trị dung lượng cực đại qmax và hằng số Langmuir b đối với ion Fe3+. Kết quả được thể hiện trên bảng 2.

Bảng 2. Các hằng số Langmuir đối với ion Fe3+

qmax (mg/g) b

2,402 0,091

KẾT LUẬN

a. Đã chế tạo thành công vật liệu hấp phụ nano oxit mangan bọc cát.

b. Kết quả chụp ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy mẫu VLHP chế tạo được có dạng hình cầu, xốp, vật liệu nano oxit mangan đã bọc kín cát.

c. Đã khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ và khả năng hấp phụ của VLHP đối với ion Fe3+ bằng phương pháp hấp phụ tĩnh. Kết quả thu được như sau:

- Thời gian đạt cân bằng hấp phụ với ion Fe3+ là 180 phút.

- pH hấp phụ tốt nhất đối với ion Fe3+ là 2,5. - Trong khoảng nồng độ từ 50-500 mg/l, khi nồng độ ban đầu của ion Fe3+ tăng thì dung lượng hấp phụ đều tăng.

- Tăng khối lượng VLHP từ 0,5÷4,0g thì dung lượng hấp phụ giảm.

d. Mô tả quá trình hấp phụ theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir đã xác định được dung lượng hấp phụ cực đại của VLHP đối với ion Fe3+ là 2,402mg/g.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1]. Đỗ Trà Hương, (2010). "Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion Cu2+, Ni2+ của than bùn Việt Yên-Bắc Giang". Tạp chí phân tích Hoá, Lý và Sinh học. Tập 15, số 4 , Tr 150-154. [2]. Đỗ Trà Hương, Nguyễn Thị Thúy Nga, (2011). "Chế tạo và nghiên cứu khả năng hấp phụ Cu2+ của vật liệu oxit nano β-MnO2", Tạp chí Hóa học, tập 49, số 3A, tr 1-5. [3]. Phạm Thị Hạnh, Phạm Văn Tình, Đinh Khắc Tùng, (2010). "Điện phân MnO2 từ quặng tự nhiên pyroluzit cho sử lý asen trong nước giếng khoan". Tạp chí Hóa học, tập 48, số 4C, tr 290-294. [4]. Tivette Vaughan, Chung W. seo and Wayne, E. Mashall, (2001). "Remove of selected metal ions from solution using modified corncobs." Bioresource Technology, Volume 82, issue 3, pp 274-251. [5]. Shaobin Wang, Z. H. Zhu, Anthony Coomes. F Haghseresht, G. Q. Lu, (2004). "The physical and suface chemical characteristics of activated carbons and the adsortion of metylene blu from waste water". Journal of Colloid and Interface Sience 284, pp 400-446. [6]. F.A. Al-Sagheer, M.I.zaki, (2000), "Suface properties of solgel synthesized δ-MnO2 as assessed by N2 sortometry, electron microscopy, and X-ray photoelectron spectronscopy". A. Physicochemical and Engineering Aspects, 173, pp 193-204. [7]. Lei Juin, Chun hu Chen, Vincent Mark B. Crisotomo, Linping Xu, Young - Chan Son, Steven L. Suib, (2009). "γ-MnO2 octahedral molucular sieve: preparation, characterization, and catalytic activity in the atmospheric oxidation of toluene". Applied Catalysis A: Genenal, 355, pp 169-175. [8]. Zhengquan Li, Yue Ding, Yujie and Yi Xie,(2005), “Rational Growth of α-MnO2 Hierarchical Structures and β-MnO2 Nanorods via a Homogeneous Catalytic Route”. Journal Crystal Growth & Design, Vol 5, No 5, pp 1953 - 1958.

Dương Thị Tú Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 101 – 106

99

SUMMARY FABRICATION AND STUDY ONTHE POSSIBILITY OF ION Fe 3+ ADSORTION OF MANGANESE OXIDE NANOMATERIALS COATED WITH SAND

Do Tra Huong∗, Pham Thi Ha

College of Education – Thai Nguyen University

Based on the oxidation-reduction reaction, we successfully made the adsorbed manganese oxide nanomaterial coated with sand. Results of scanning electronic micrographs showed that adsorded materials built a sphere, manganese oxide nanomaterials were enclosed with sand. The study of the adsorption process with Fe3+ ion by means of static adsorption, absorption spectroscopy on molecules gave results showed time to reach adsorption equilibrium with Fe3+ ion as 180 minutes and the best pH for adsorption Fe3+ ion was 2.5, about the concentration of 49,857÷520,833mg/l, while the initial concentration of Fe3+ ion increased, the adsorption capacity increased. On the other hand, when increasing the amount of adsorbed material from 0.5 to 4.0 g, the adsorption capacity decreased. Describing the process of adsorption in the model of Langmuir adsorption isotherm was determined to be the maximum adsorption capacity of for Fe3+ ion as 2.402 mg /g. Key words: adsorbed material, manganese oxide, coated with sand, adsorbed, nanomet.

∗ Tel: 0977 583899, Email: dotrhuong@gmail.com

Đỗ Trà Hương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 95 - 99

100

Dương Thị Tú Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 101 – 106

101

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH DẠNG TỒN TẠI CỦA Cr TRONG M ỘT SỐ NGUỒN NƯỚC KHU VỰC THÁI NGUYÊN

Dương Thị Tú Anh1*, Cao Văn Hoàng 2, Lê Thu May1

1Trường Đại học Sư phạm – ĐHTN, 2Khoa Hóa học- Trường ĐH Quy Nhơn

TÓM TẮT

Phương pháp Von-ampe hòa tan hấp phụ xúc tác (CAdSV) được ứng dụng trong việc nghiên cứu xác định các dạng tồn tại của Cr trong một số mẫu nước tự nhiên khu vực Thái Nguyên. Phương pháp này dựa trên sự tạo phức hấp phụ của CrIII với axit dietylen triamin pentacetic (DTPA) với sự có mặt của muối nitrat làm xúc tác. Có thể xác định các dạng oxi hóa của Crom trong các điều kiện tối ưu của phép đo von-ampe hòa tan hấp phụ xúc tác (CAdSV), với giới hạn phát hiện đối với CrVI là 0,024ppb, cũng như việc xác định tổng Crom sau khi phân hủy mẫu bằng UV để oxi hóa hoàn toàn dạng CrIII lên CrVI. Do tính chất hoạt động điện hóa khác biệt giữa hai dạng Cr, nên phương pháp CAdSV được dùng để nghiên cứu xác định các dạng CrIII và dạng CrVI. Từ khóa: Stripping volammetry, adsorptives, speciation,Chromium ,method.

∗MỞ ĐẦU

Crom khi tồn tại trong môi trường với hàm lượng cao là yếu tố gây ra nhiều ảnh hưởng lâu dài và to lớn đối với môi trường và sinh vật sống. Trong nước tự nhiên crom tồn tại ở hai dạng CrIII và CrVI, chúng có thể chuyển hóa lẫn nhau [2-10]. CrIII ở nồng độ nhỏ là yếu tố vi lượng cần thiết cho quá trình trao đổi đường, protein, chất béo, nhưng ở nồng độ cao CrIII cũng là chất độc. Trong khi đó CrVI dù là lượng rất nhỏ cũng gây độc, nó là một trong những tác nhân gây ung thư, khi phơi nhiễm trong thời gian dài sẽ gây tổn thương mắt vĩnh viễn, ở trạng thái dung dịch nó gây viêm da tiếp xúc dị ứng. Trên thực tế có nhiều ngành nghề có thể gây nhiễm độc crom, như: chế tạo ắc quy, luyện kim, sản xuất nến, sáp, thuốc nhuộm, keo dán, xi măng, đồ gốm, bột màu, men sứ, bản kẽm, xà phòng, hợp kim nhôm, mạ điện, mạ crom…Sự phát triển không ngừng của các ngành này đang làm tăng nguy cơ nhiễm độc crom đối với con người. Do đó việc xác định sự có mặt của Cr và dạng tồn tại của nó trong môi trường nói chung và trong các nguồn nước tự nhiên nói riêng đã và đang là vấn đề được toàn xã hội quan tâm. Chỉ có một số ít

∗ Tel: 0988 760319, Email:haianhsptn@gmail.com

các phương pháp phân tích hiện đại: ICP-MS, ET AAS và Von -Ampe hòa tan đủ độ nhạy để xác định nồng độ dạng vết của Crom trong mẫu nước tự nhiên có khả năng không bị ô nhiễm. Trong số đó phương pháp Von -Ampe hòa tan hấp phụ sử dụng các phối tử có khả năng tạo phức khác nhau và có xúc tác thích hợp làm tăng độ nhạy lên nhiều được áp dụng rộng rãi trong phân tích thực nghiệm [2,3,4].Trong bài báo này chúng tôi xin trình bày một số kết quả nghiên cứu xác định hai dạng tồn tại chủ yếu của Crom trong nước tự nhiên là CrIII và CrVI đối với một số nguồn nước thuộc địa bàn Thái Nguyên bằng phương pháp Von-ampe hòa tan hấp phụ xúc tác (CAdSV). Với kết quả này chúng tôi mong muốn góp phần giải thích mức độ độc hại của các nguồn nước tự nhiên, để từ đó có những biện pháp bảo vệ và sử dụng các nguồn nước tự nhiên một cách có hiệu quả.

THỰC NGHIỆM

Thiết bị dụng cụ và hoá chất

Các phép ghi đo được thực hiện trên hệ thiết bị phân tích cực phổ VA 797 do hãng Metrohm (Thụy sỹ) sản xuất, có hệ thống sục khí tự động với hệ 3 điện cực: Điện cực làm việc là điện cực giọt thủy ngân treo; Điện cực so sánh là điện cực Ag/AgCl, KCl (3M) và điện cực phụ trợ là điện cực platin. Bình điện phân dung tích 100ml làm bằng thủy tinh

Dương Thị Tú Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 101 – 106

102

thạch anh, nắp bình điện phân làm từ Teflon có lỗ nhám chuẩn dùng làm giá giữ điện cực bảo đảm kín khí, ống dẫn và thoát khí. Tất cả các thí nghiệm được thực hiện ở nhiệt độ phòng, các phép đo pH được tiến hành theo các mục đích thí nghiệm trên máy pH– metter Toledo 220 (Anh).

Sự phân hủy mẫu được thực hiện trên thiết bị chiếu UV 705 Digester có các ống nghiệm đựng mẫu bằng thủy tinh thạch anh đi kèm do hãng Metrohm (Thụy sỹ) sản xuất, với đèn hơi Thủy ngân công suất 500W.

Tất cả các dụng cụ bằng thủy tinh được làm sạch bằng cách ngâm trong HNO3 2M và tráng lại qua hỗn hợp rửa K2Cr2O7 và H2SO4 đặc. Sau đó tráng lại bằng nước cất và nước cất siêu sạch nhiều lần trước khi sử dụng.

Tất cả các hóa chất được sử dụng trong quá trình nghiên cứu đều là hóa chất tinh khiết phân tích, loại “Suprapure” của Merck.

Quy trình phân tích Cr theo phương pháp von –ampe hòa tan hấp phụ ( CAdSV)

Lần lượt lấy một thể tích nhất định của các dung dịch: dung dịch nghiên cứu, dung dịch NaNO3 1M, dung dịch đệm axetat 0,1M (pH=6) đến tổng thể tích là 20 ml sao cho nồng độ NaNO3 trong dung dịch là 2,5.10-1M.

Thêm vào đó một thể tích nhất định dung dịch DTPA 0,2M sao cho nồng độ DTPA trong dung dịch là 10-1M. Sau đó chuyển toàn bộ dung dịch vào bình điện phân và nhúng hệ điện cực vào dung dịch cần đo. Sục khí nitơ tinh khiết 5.0 (Mersser) để đuổi oxi hòa tan với thời gian 180s. Việc định lượng Cr được thực hiện bằng phép đo xung vi phân sử dụng phương pháp thêm tiêu chuẩn. Quá trình làm giàu được thực hiện bằng cách áp vào điện cực làm việc một điện thế U= - 0,95V với thời gian 60s, đồng thời khuấy dung dịch với tốc độ 2000 vòng/phút , sau đó để hệ thống nghỉ trong 10s và ghi lại đường von-ampe hòa tan với khoảng quét thế từ -0,95 đến -1,45V. Các thông số khác được sử dụng trong các phép ghi đo là : biên độ xung 50mV; bề rộng

xung 40ms; thời gian bước nhảy thế bằng 0,2s; bước nhảy thế bằng 5mV; tốc độ quét thế bằng 25mV/s.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Tiến trình phân tích các dạng của Cr trong nước tự nhiên bằng phương pháp CAdSV

Sự hiện diện và tỷ lệ giữa hai dạng CrIII và CrVI trong các nguồn nước tự nhiên phụ thuộc vào các quá trình khác nhau, trong đó bao gồm các quá trình hóa học và quang hóa, các quá trình oxihóa – khử, lượng mưa, sự hấp phụ, sự giải hấp … Sự phân biệt CrIII và CrVI chủ yếu dựa vào khả năng tạo phức khác nhau của chúng với DTPA trong dung dịch chứa ion −

3NO [4]. Việc xác định chính xác lượng CrVI hoạt động xảy ra trong cấu trúc phức vô cơ, có thể được thực hiện bằng cách thêm một lượng nhất định DTPA và NaNO3 vào dung dịch phân tích, sau đó tiến hành phép đo CAdSV. Hơn nữa, các mẫu nước tự nhiên hoặc nhân tạo thường có chứa các phối tử hữu cơ như axit humic và axit fulvic, phenol, NTA... Với dung dịch có các chất trên, CrIII tạo phức với các phối tử này mạnh hơn so với DTPA. Những thuộc tính khác nhau của hai dạng Cr có thể được dùng để nghiên cứu phân loại chúng. Để xác định các dạng Crom trong mẫu nghiên cứu, chúng tôi tiến hành theo tiến trình sau [3]:

- Trước hết, lấy lượng mẫu phân tích nhất định vào bình chứa mẫu. Thêm vào đó một lượng DTPA và NaNO3, thêm tiếp vào dung dịch đó đệm axetat pH = 6, rồi tiến hành ghi đo đường CAdSV. Hàm lượng CrVI trong mẫu phân tích được xác định theo phương pháp thêm chuẩn.

- Phần 2 được chiếu xạ bằng UV trong thời gian nhất định để chuyển tất cả CrIII có trong mẫu phân tích thành CrVI. Sau đó hàm lượng Cr tổng số được xác định bằng phép đo CAdSV.

Hàm lượng của CrIII trong mẫu phân tích được tính bằng hiệu giữa hàm lượng Cr tổng số và CrVI đã xác định được ở trên.

Các điều kiện tối ưu cho phép ghi đo xác định CrVI bằng phương pháp CAdSV

Dương Thị Tú Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 101 – 106

103

Để có thể xác định được CrVI, từ đó xác định được Cr tổng và CrIII trong các nguồn nước bằng phương pháp Von-Ampe hòa tan hấp phụ xúc tác, trước hết chúng tôi đã tiến hành khảo sát các điều kiện tối ưu cho phép ghi đo xác định CrVI trong điều kiện thực tế tiến hành các thí nghiệm nghiên cứu.

Qua khảo sát, chúng tôi xác định được các điều kiện tối ưu cho phép xác định CrVI

bằng phương pháp Von-Ampe hòa tan hấp phụ xúc tác như đã được trình bày trong bài báo[2], đó là : Dung dịch điện li làm nền là dung dịch đệm axetat; pH dung dịch đệm 6; Thế điện phân -0,95V; thời gian hấp phụ10s; tốc độ khuấy dung dịch 2000r/pm; tốc độ quét thế 25mV/s; nồng độ DTPA10-2M ; Nồng độ NaNO3 2,5.10-2M.; thời gian sục khí 180s.

Determination of Chromium(VI). AB116method 2

Cr in Standard sample

-1.00 -1.10 -1.20 -1.30 -1.40 -1.50

U (V)

0

-250n

-500n

-750n

-1.00u

-1.25u

I (A)

Cr(VI)

-0.00 0 0.00 0.00

c (g/L)

0

-200n

-400n

-600n

-800n

I (A

)

-2.1e-007

Cr(VI) c = 0.206 ug/L +/- 0.006 ug/L (2.73%)

Hình 1. Phổ đồ DP- CAdSV và đồ thị xác định

hàm lượng CrVI trong mẫu chuẩn

Các kết quả khảo sát của chúng tôi khá phù hợp với kết quả của các tác giả khác[3, 4]. Dựa vào các điều kiện tối ưu đã tìm được, chúng tôi tiến hành xác định khoảng tuyến tính và giới hạn phát

hiện. Kết quả nghiên cứu cho thấy, trong khoảng nồng độ khảo sát đối với CrVI từ 0 ppb÷ 10 ppb, Ip phụ thuộc tuyến tính vào nồng độ CrVI. Giới hạn phát hiện của phương pháp xác định theo quy tắc 3σ là 0,024ppb đối với CrVI.

Để đánh giá độ chính xác của phép đo chúng tôi tiến hành quá trình phân tích tương tự như đã nêu trong mục 2.2 với mẫu chuẩn của Merck, ở nồng độ 0,2ppb. Mẫu được xác định theo phương pháp thêm chuẩn, mỗi lần ghi đo thêm 0,2ppb CrVI. Kết quả ghi đo được thể hiện trên hình 1.

Kết quả phân tích cho thấy độ lệch chuẩn tương đối của phép xác định CrVI nồng độ 0,2 ppb trong mẫu chuẩn là 2,73%.Với nồng độ rất nhỏ, cỡ ppb thì sai số như trên là hoàn toàn có thể chấp nhân được.Vậy có thể kết luận rằng phương pháp có độ chính xác tốt. Phân tích một số mẫu nước tự nhiên Lấy mẫu và bảo quản mẫu trước khi phân tích Mẫu được lấy vào các chai polyetylen bền vững về mặt hóa học và ít hấp phụ các ion trong dung dịch nước lên thành bình nên hầu như không ảnh hưởng đến quá trình phân tích. Trước khi lấy mẫu các chai đã được được ngâm, tráng, rửa sạch bằng axít và nước cất siêu sạch, sau đó tráng lại nhiều lần bằng chính mẫu sẽ được lấy, nhằm để mẫu trước khi phân tích giữ nguyên trạng thái ban đầu của nó, tức là có thành phần, hàm lượng của của các hợp phần và các tính chất giống như khi lấy nó tại thời điểm, địa điểm lấy mẫu, khi lấy và bảo quản mẫu phải tuân theo quy tắc nghiêm ngặt. Trong trường hợp phải bảo quản thì tiến hành xử lí mẫu bằng cách thêm axit HCl đặc, tinh khiết phân tích (0,5 ml HCl cho 100ml nước mẫu) hoặc dùng axit HNO3 đặc, tinh khiết phân tích.Các mẫu nước trước khi phân tích đều được lọc qua màng siêu lọc teflon có kích thước lỗ 0,45µ m để loại các tạp chất . Kết quả phân tích một số mẫu nước tự nhiên khu vực Thái nguyên Dựa trên các điều kiện tối ưu đã lựa chọn và quy trình phân tích đã xây dựng, chúng tôi tiến hành phân tích hàm lượng các dạng Cr(VI) và Cr(III) trong một số mẫu nước tự

Dương Thị Tú Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 101 – 106

104

nhiên khu vực Thái nguyên. Mỗi phép xác định được lặp lại 3 lần. Sau khi xử lý thống kê các kết quả thực nghiệm, kết quả cuối cùng được chỉ ra ở bảng 2 và hình 2. Qua các kết quả trên chúng tôi nhận thấy: Trong các mẫu phân tích đều có chứa cả CrIII

và CrVI, tuy nhiên thành phần hai dạng này thay đổi rất nhiều tuỳ thuộc vào nguồn nước. Nhìn chung trong các mẫu phân tích hàm lượng CrVI đều lớn hơn so với CrIII . Xét về hàm lượng Cr tổng số chúng tôi nhận thấy trong nước hàm lượng Cr tổng số trong

Bảng 1. Địa điểm và thời gian lấy mẫu của các mẫu phân tích

TT Kí hi ệu mẫu Địa điểm lấy mẫu Thời gian lấy mẫu

1 SNP-1 Suối khu Núi Pháo 1 – Xã Hà Thượng- Huyện Đại Từ 07/12/2010

2 SNP-2 Suối khu Núi Pháo 2 – Xã Hà Thượng- Huyện Đại Từ 07/12/2010

3 SNP-3 Suối khu Núi Pháo 3 – Xã Hà Thượng- Huyện Đại Từ 07/12/2010

4 SNP-4 Suối khu Núi Pháo 4 – Xã Hà Thượng- Huyện Đại Từ 07/12/2010

5 HNC-1 Khu bắc Hồ Núi Cốc (phía sau nhà nghỉ Người Có Công) 16/12/2010

6 HNC-2 Khu nam hồ Núi Cốc (khai thác thuỷ lợi HNC xã Tân Cương) 16/12/2010

7 NSC-1 Sông Cầu, trên cửa xả nhà máy giấy Hoàng Văn Thụ 03/01/2011

8 NSC-2 Sông Cầu, dưới cửa xả nhà máy giấy Hoàng Văn Thụ 03/01/2011

9 LKM Suối khu nhà máy Luyện kim màu- Thái Nguyên 23/01/2010

Bảng 2. Hàm lượng trung bình các dạng Cr trong các mẫu phân tích

Mẫu

Hàm lượng trung bình các dạng Crom (ppb)

Tổng Cr RSD (%)

Cr(VI) RSD (%)

% hàm lượng Cr(III) % hàm

lượng

SNP-1 0,464±0,013 2,88 0,115 ±0,005 4,05 24,87 0,348 75,13

SNP-2 0,669 ±0,043 6,37 0,448 ±0,017 3,79 66,93 0,221 33,07

SNP-3 0,410 ±0,018 4,47 0,278 ±0,007 2,63 67,83 0,132 32,17

SNP -4 0,395 ±0,025 6,33 0,255 ±0,014 5,50 64,53 0,140 35,47

HNC-1 0,227 ±0,013 5,87 0,113 ±0,007 6,49 49,71 0,114 50,29

HNC-2 0,207 ±0,008 3,71 0,148 ±0,004 2,48 71,45 0,059 28,55

NSC-1 0,240 ±0,016 6,53 0,137 ±0,007 4,87 57,08 0,103 42,92

NSC-2 0,476 ±0,015 3,15 0,169 ±0,008 4,74 35,43 0,307 64,57

LKM 0,237 ±0,011 4,51 0,162 ±0,004 2,67 68,59 0,074 31,41

Hình 3. Đồ thị biểu diễn hàm lượng các dạng crom trong mẫu thực

Dương Thị Tú Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 101 – 106

105

khoảng 0,020 ÷ 0,025 ppb, khi có các nguồn phát thải crom thì hàm lượng Cr tổng số tăng nhanh, cùng với đó là hàm lượng CrVI cũng tăng. Điển hình trong mẫu nước sông Cầu: với mẫu NSC-1 phía trên cửa xả nhà mấy giấy hàm lượng Cr tổng mức trung bình 0,240µg/L, sau cửa xả hàm lượng Cr tổng số gần như gấp đôi lên tới 0,476µg/L. Đối với mẫu nước suối núi Pháo mẫu SNP-2 có nồng độ Cr tổng và Cr(VI) tăng nhiều so với mẫu SNP-1, tỉ lệ Cr(VI) cũng tăng đột biến lên tới 66,93% sau đó với các mẫu SNP-3 và SNP-4 hàm lượng Cr tổng và CrVI giảm. Điều này có thể được giải thích do sự xả thải nước từ các hoạt động khai thác quặng làm tăng hàm lượng crom từ SNP-1 đến SNP-2, crom ở cả 2 dạng CrIII và CrVI đều bị sa lắng do quá trình vật lý hoặc do phản ứng tạo kết tủa với các chất có trong nước làm giảm nồng độ của chúng ở các mẫu phía dưới dòng. Riêng với mẫu LKM tuy hàm lượng Cr tổng không cao như mẫu SNP-2 nhưng tỉ lệ CrVI rất lớn 68,59%, như vậy nước thải nhà máy luyện kim màu cũng có tác động làm tăng tỉ lệ CrVI trong nước.

Tuy nhiên để đánh giá mức độ ô nhiễm nguồn nước do crom cần phải dựa vào các văn bản pháp quy. Theo tiêu chuẩn Việt Nam QCVN - 24:2009/BTNMT [1] hàm lượng cho phép của CrVI là 0,05mg/L trong nước sinh hoạt và 0,1mg/L trong nước thải, các giá trị tương ứng của CrIII là 0,2mg/L và 1mg/L. Các mẫu nước nghiên cứu đều có hàm lượng các dạng crom < 0,05mg/L, như vậy hàm lượng của CrVI và CrIII trong các mẫu phân tích đều nằm dưới giới hạn cho phép.

KẾT LUẬN

Qua quá trình nghiên cứu thực nghiệm, chúng tôi rút ra một số kết luận sau:

1. Đã khảo sát và lựa chọn được các điều kiện tối ưu cho phép phân tích hàm lượng vết CrVI, để từ đó có thể xác định được lượng CrVI, Cr tổng số và CrIII trong mẫu phân tích.

2. Đã xây dựng được quy trình phân tích xác định dạng CrIII , CrVI và tổng Cr trong mẫu phân tích, với thế điện phân làm giàu chất phân tích là -0,95V, thời gian hấp phụ lớp hợp chất phức là 10s, đệm Axetat pH = 6;

nồng độ DTPA 10-2M; nồng độ NaNO3 2,5.10-2M ...

3. Tính khoa học, độ tin cậy của phương pháp và quy trình phân tích đã được xác nhận thông qua việc đánh giá chính xác các kết quả phân tích mẫu chuẩn của Merck và xác định giới hạn phát hiện đối với CrVI.

4- Qui trình trên đã được áp dụng để phân tích dạng CrIII , CrVI và tổng Cr trong một số mẫu nước tự nhiên trên địa bàn Thái nguyên và cho kết quả lặp lại tốt.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO [1]. Bộ Tài nguyên Môi trường, (2009) Tiêu chuẩn Việt Nam, [2]. Dương Thị Tú Anh, Trịnh Xuân Giản, Tống thị Thanh Thủy (2010), “Nghiên cứu xác định một số dạng tồn tại của Cr trong nước bằng phương pháp von -ampe hòa tan”, Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học – Tập 15, số 4, trang 11-16. [3]. Andrej Bobrowski, Boguslaw Baś,Janusz Dominik, Ewa Niewiara, Ewa Szalińka, Davide Vignati, Jerzy Zarębski, (2004), “Chromium specation study in poluted waters using catalytic adsorptive stripping voltammetry and tangential flow filtration” , Talanta 1003-1012 [4]. Marc Boussemart, Constans M G vanden Berg, Mohammed, Ghaddaf,(1992), “The determination of the chromium specation in the sea water using catalytic cathodic stripping voltammetry”, Ananlytica Chimica Acta, 262, pp103-105. [5]. H.Elderfield, (1970), “Chromium specation in the sea water”, Earth and planetry scien leter 910-916 (North-Holland Publishing company) [6]. Miquel Esteban, Cristina ariuro, José, M.Dýaz, Cruz and Enric Casassas,(1993), “Voltammetric of metal ion-macromolecule interactions application to speciation problem”, Trends in analytic chemistry,vol 12, no 7, pp 276-285. [7]. V.Gómez, M.P. Callao, (2006), Trends in Analytical Chemistry, Vol. 25, No.10. [8]. J.Kotas, Z.Stasicka, (2000), Environmental Pollution, vol 107, pages 263-283. [9]. Mieczyslaw, (2000), “Voltammetric determination of traces of CrVI in the presence of CrIII and humic acid”, M.Korolczuk/ Analytica Chimica Acta 414, pp 165-171.

[10]. Tanashi Sumida, Taniami Ikenoue, Kazuhide Hamada, (2005), “One line preconcentrtion using dual mini columns for the speciation of CrIII and CrVI and its application to water samples as studied by ICP-M S”, Talanta, vol 68, pp 388-393

Dương Thị Tú Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 101 – 106

106

SUMMARY RESEARCH ON SPECIATION OF SOME CHEMICAL SPECIES OF CHROMIUM IN NATURAL WATERS BY CATALYTIC ADSORPTI VE STRIPPING VOLTAMMETRY (CAdSV)

Dương Thị Tú Anh1∗, Cao Văn Hoàng 2, Lê Thu May1

1 College of Education – TNU, Faculty of Chemistry – Quy Nhon University

The catalytic adsorptive stripping voltammetry (CAdSV) method has been applied to chemical chromium speciations study in the natural water samples of Thai Nguyen. The method is based on the adsorptive preconcentration of the CrIII–diethylenetriammine pentaacetic acid (DTPA) complex and the utilization of the catalytic reaction in the presence of nitrate. Under optimized conditions the CAdSV enables the oxidation state speciation study of Cr content by direct determination of CrVI in the presence of the predominant CrIII concentration with the detection limit for chromiumVI of 0,024 ppb, as well as the determination of total Cr after UV oxidation of CrIII to CrVI. Due to the difference in the chemical properties of different chromium species the CAdSV method makes possible a speciation study of CrIII and CrVI oxidation state. Key words: Stripping volammetry, adsorptives, speciation,Chromium ,method.

∗ Tel: 0988 760319, Email:haianhsptn@gmail.com

Lê Hữu Thiềng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 107 - 113

107

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ Cu2+, Ni2+ CỦA THAN BÃ MÍA

Lê Hữu Thiềng*, Hứa Thị Thùy

Trường Đại học Sư phạm - ĐHTN

TÓM TẮT Bài báo này thông báo kết quả nghiên cứu khả năng hấp phụ Cu2+

, Ni2+ trong dung dịch nước của

than bã mía (TBM). Ảnh hưởng của pH, nồng độ các ion kim loại và thời gian hấp phụ được nghiên cứu ở nhiệ t độ phòng (25 ± 10C). Nồng độ của các ion Cu2+

, Ni2+ trước và sau hấp

phụ được xác định bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F- AAS). Các kết quả thực nghiệm cho thấy pH thích hợp cho sự hấp phụ Cu2+

, Ni2+ tương ứng là 5,0 và 6,0. Thời gian đạt cân bằng hấp phụ là 25 phút cho Cu2+ và 30 phút cho Ni2+. Khảo sát nồng độ từ 24,286 mg/l đến 199,324 mg/l đối với Cu2+, từ 24,856mg/l đến 198,184 mg/l cho Ni2+

theo mô hình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir, kết quả nghiên cứu cho thấy : dung lượng hấp phụ cực đại của TBM đối với Cu2+ và Ni2+ lần lượt là: 54,054 mg/g và 44,843 mg/g. TBM hấp phụ Cu2+

tốt hơn Ni2+. Động học hấp phụ Cu2+ và Ni2+ của TBM tuân theo phương trình bậc hai biểu

kiến của Lagergren. Từ khóa: hấp phụ, than bã mía, kim loại nặng, đồng, niken.

∗MỞ ĐẦU

Hiện nay, môi trường nước ở nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng nghề ngày càng bị ô nhiễm bởi nước thải, khí thải và chất thải rắn. Vì vậy nghiên cứu và tìm biện pháp xử lý ô nhiễm môi trường nước là cần thiết và cấp bách. Việc sử dụng than chế tạo từ các phụ phẩm nông nghiệp như: vỏ trấu, vỏ lạc, vỏ dừa, bã mía…để tách loại và thu hồi các kim loại nặng từ dung dịch nước đã được một số tác giả trên thế giới nghiên cứu [1,2,3,4,6,7,8]. Các loại than này có khả năng ứng dụng rất lớn trong xử lý các nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng.

Ở Việt Nam, bã mía là phụ phẩm nông nghiệp rất phổ biến. Ở bài báo trước [1], chúng tôi đã nghiên cứu sự hấp phụ Cu2+ và Ni2+ của than vỏ lạc. Kết quả cho thấy khả năng hấp phụ của than vỏ lạc là khá tốt. Trong bài báo này chúng tôi trình bày một số kết quả nghiên cứu khả năng hấp phụ Cu2+ và Ni2+ của TBM trong dung dịch nước.

THỰC NGHIỆM

Hóa chất và thiết bị

∗ Hóa chất: H2SO4 98%, CuSO4.5H2O, NaOH, HNO3, NiSO4.6H2O, nước cất hai lần. Các hóa

∗ Tel: 0982 859002

chất dùng cho các thí nghiệm đều là loại tinh khiết PA.

* Thiết bị:

- Máy nghiền, máy lắc, tủ sấy, máy đo pH.

- Máy quang phổ hấp thụ nguyên tử Thermo (Anh).

- Nồng độ của Cu2+, Ni2+ trong dung dịch trước và sau hấp phụ được xác định bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (F- AAS).

Các điều kiện đo phổ F-AAS của Cu, Ni được chỉ ra ở bảng 1.

Bảng 1. Các điều kiện đo phổ F-AAS của Cu, Ni

Nguyên tố Cu Ni

Bước sóng (nm) 314.5 232

Khe đo (nm) 0.5 0.5

Cường độ đèn HCL(Imax) 75% 75%

Chiều cao đèn (mm) 7 7

Tốc độ dòng khí (ml/phút) 1.1 1.1

Khoảng tuyến tính mg/l 0.05 ÷ 2.5 0.1 ÷ 8.0

Chế tạo TBM từ nguyên liệu bã mía

Bã mía sau khi rửa sạch được cắt nhỏ, cho vào nước cất đun sôi trong 30 phút để loại bỏ đường hòa tan, sau đó sấy khô ở 80oC trong 24 giờ. Bã mía khô được nghiền

Lê Hữu Thiềng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 107 - 113

108

thành bột mịn (nguyên liệu đầu). Trộn nguyên liệu với H2SO4 đặc theo tỉ lệ 1:1 (nguyên liệu (g) : axit sunfuric (ml)), sau đó đem nung ở 150oC trong 24 giờ. Nguyên li ệu sau khi sấy được rửa sạch bằng nước cất hai lần và ngâm trong dung dịch NaHCO3 1% trong 24 giờ để loại bỏ axit dư. Lọc lấy bã rắn và tiếp tục sấy ở 150oC cho đến khô rồi đem nghiền nhỏ,rây thu lấy bột mịn có kích thước hạt cỡ ≤0,02 mm, thu được TBM [2].

Phương pháp thực nghiệm

Chúng tôi nghiên cứu khả năng hấp phụ Cu2+, Ni2+ của TBM thông qua khảo sát ảnh hưởng của thời gian hấp phụ, pH, nồng độ đầu của Cu2+, Ni2+ , xác định dung lượng hấp phụ cực đại của TBM và nghiên cứu động học hấp phụ theo phương trình của Lagergren.

Dung lượng hấp phụ của TBM được tính theo công thức:

−= 0 cb(C C )V

qm

Trong đó: q: dung lượng hấp phụ (mg/g). V: Thể tích dung dịch (l ). m: Khối lượng chất hấp phụ (g ). Co , Ccb : Nồng độ ban đầu, nồng độ tại thời điểm cân bằng của dung dịch (mg/l). Dung lượng hấp phụ cực đại của TBM được xác định theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir dạng tuyến tính:

= +cbcb

m m

C 1 1.C

q q q .b

Trong đó:

qm: dung lượng hấp phụ cực đạ i (mg/g).

b: hằng số Langmuir.

Nghiên cứu động học hấp phụ của TBM theo phương trình của Lagergren. Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc nhất Lagergren [5].

).(1 tet qqk

dt

dq −=

Dạng tích phân của phương trình trên là:

tk

qqq ete 303,2log)log( 1−=−

Phương trình động học hấp phụ biểu kiến bậc hai có dạng:

22 ( )t

e t

dqk q q

dt= −

Dạng tích phân của phương trình này là:

22

1 1

.t e e

tt

q k q q= +

Trong đó: qe , qt là dung lượng hấp phụ tại thời điểm

cân bằng và tại thời điểm t (mg/g).

k1, k2 là hằng số tốc độ hấp phụ bậc nhất (phút-1) và bậc hai (g.mg-1. phút-1) biểu kiến.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Khảo sát ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ của TBM

Chuẩn bị các bình tam giác có dung tích 100 ml. Cho 0,1g TBM vào mỗi bình và thêm vào đó 100 ml dung dịch chứa riêng rẽ các ion kim loại Cu2+, Ni2+ có nồng độ xác định, pH thay đổi từ 1÷ 6. Tiến hành lắc với tốc độ 250 vòng/phút trong 30 phút ở nhiệ t độ phòng (25 ± 10C). Xác định nồng độ còn lại của các ion kim loại trong dung dịch tương ứng với các giá trị pH đó bằng phương pháp F- AAS.

Kết quả được chỉ ra ở bảng 2 và hình 1.

Bảng 2. Ảnh hưởng của pH đến dung lượng hấp phụ của TBM

pH Cu2+ Ni2+ Co(mg/l) Ccb (mg/l) q (mg/g) Co (mg/l) Ccb (mg/l) q(mg/g)

1 48,907 40,325 2,146 49,064 42,546 1,629

2 48,907 36,468 3,109 49,064 38,349 2,679

3 48,907 20,115 7,198 49,064 23,976 6,272

4 48,907 16,079 8,207 49,064 20,920 7,036

5 48,907 11,711 9,299 49,064 18,212 7,713

6 48,907 11,771 9,284 49,064 16,936 8,032

Lê Hữu Thiềng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 107 - 113

109

0

2

4

6

8

10

0 2 4 6 8

pH

q(m

g/g) Cu

Ni

Hình 1. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào pH

Kết quả thực nghiệm cho thấy trong khoảng pH từ 1 ÷ 3 dung lượng hấp phụ của TBM đối với Cu2+, Ni2+ tăng nhanh, còn ở pH từ 3 ÷ 6 tăng

chậm. Điều này có thể do ở pH cao có sự hình thành phức hiđroxo của các kim loại đã làm hạn chế sự hấp phụ của TBM. Chúng tôi chọn pH = 5 cho các dung dịch Cu2+, pH = 6 cho các dung dịch Ni2+ để nghiên cứu các quá trình hấp phụ tiếp theo.

Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ

Tiến hành sự hấp phụ đối với 0,1g TBM ở các nồng độ đầu Cu2+, Ni2+ cố định, giữ ổn

định ở điều kiện pH tối ưu xác định ở mục 3.1. Tiến hành lắc trên máy lắc với tốc độ 250 vòng/phút ở nhiệt độ phòng (25 ± 10C) trong khoảng thời gian từ 5 ÷ 60 phút.

Kết quả được chỉ ra ở bảng 3 và hình 2.

0

2,000

4,000

6,000

8,000

10,000

0 20 40 60 80

thời gian (phút)

q(m

g/g

)

Cu

Ni

Hình 2. Sự phụ thuộc của dung lượng hấp phụ vào

thời gian xử lý

Kết quả thực nghiệm cho thấy: với thời gian lắc từ 25 phút trở lên đối với Cu2+ và 30 phút đối với Ni2+ dung lượng hấp phụ của TBM gần như không thay đổi (hệ đạt trạng thái cân bằng). Do vậy chúng tôi chọn thời gian đạt cân bằng hấp phụ của TBM đối với Cu2+ là 25 phút, Ni2+ là 30 phút cho các thí nghiệm tiếp theo.

Bảng 3. Ảnh hưởng của thời gian đến dung lượng hấp phụ của TBM

Thời gian (phút)

Cu2+ Ni2+

Co(mg/l) Ccb(mg/l) q (mg/g) Co(mg/l) Ccb(mg/l) q(mg/g)

10 49,284 23,040 6,561 48,438 26,884 5,389

20 49,284 17,224 8,015 48,438 22,456 6,496

25 49,284 12,024 9,315 48,438 18,869 7,392

30 49,284 13,784 8,875 48,438 16,209 8,022

35 49,284 13,344 8,985 48,438 17,346 7,772

40 49,284 13,228 9,014 48,438 17,264 7,794

50 49,284 12,624 9,165 48,438 16,692 7,936

60 49,284 12,472 9,203 48,438 16,585 7,964

Bảng 4. Các thông số hấp phụ của TBM

Cu2+ Ni2+

Co (mg/l) Ccb (mg/l) q (mg/g) Ccb/q (g/l) Co (mg/l) Ccb (mg/l) q (mg/g) Ccb/q (g/l)

24,286 1,631 5,664 0,288 24,865 2,724 5,536 0,491

53,822 3,724 11,526 0,323 52,234 5,073 10,791 0,469

73,268 6,682 16,647 0,401 74,982 10,542 16,110 0,654

102,463 10,053 22,103 0,455 104,042 16,437 20,653 0,796

148,928 20,348 32,145 0,633 149,822 36,458 28,341 1,286

199,324 39,982 39,836 1,004 198,184 58,986 34,799 1,695

Lê Hữu Thiềng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 107 - 113

110

Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Cu2+, Ni2+ đến khả năng hấp phụ của TBM

Tiến hành sự hấp phụ đối với 0,1g TBM ở các nồng độ đầu Cu2+, Ni2+ thay đổi, giữ ổn định ở điều kiện pH tối ưu xác định ở mục 3.1. Tiến hành lắc trên máy lắc với tốc độ 250 vòng/phút ở nhiệt độ phòng (25 ± 10C) trong khoảng thời gian cân bằng đối với mỗi ion đã được xác định ở mục 3.2. Kết quả được chỉ ra ở bảng 4 và hình 3.

Kết quả bảng 4 cho thấy: khi tăng nồng độ Cu2+, Ni2+ dung lượng hấp phụ của TBM tăng. Từ hình 3 cho thấy sự hấp phụ Ni2+ của TBM được mô tả khá tốt theo mô hình đẳng

nhiệt hấp phụ Langmuir. Từ đó, chúng tôi tính được dung lượng hấp phụ cực đại qm của TBM đối với Cu2+, Ni2+, tương ứng là 54,054 và 44,843 mg/g.

Nghiên cứu động học hấp phụ Cu2+, Ni2+ của TBM

Giả sử quá trình hấp phụ của VLHP xảy ra theo phương trình động học biểu kiến của Lagergren.

Từ kết quả bảng 5,6 biểu diễn sự phụ thuộc của log(qe-qt), q/t vào t ta thu được đồ thị mô tả động học hấp phụ biểu kiến của Cu2+, Ni2+

như hình 4, 5.

y = 0.0185x + 0.2629R2 = 0.9989

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 10 20 30 40 50

Ccb(mg/l)

Ccb

/q(g

/l)

Hình 3a.

y = 0.0223x + 0.414R2 = 0.9929

0

0.5

1

1.5

2

0 20 40 60 80

Ccb(mg/l)

Ccb

/q(g

/l)

Hình 3b.

Hình 3. Đường đằng nhiệt hấp phụ Langmuir dạng tuyến tính của TBM đối với Cu2+(hình 3a) và Ni2+(hình 3b)

Bảng 5. Các thông số hấp phụ của Cu2+

Thời gian

(phút)

Cu2+

Co(mg/l) Ccb(mg/l) q (mg/g) Log (qe-qt) t/q Co(mg/) Ccb(mg/l) q (mg/g) Log (qe-qt) t/q

10 49,284 23,040 6,561 0,044 1,524 98,862 36,234 15,657 0,436 0,639

20 49,284 17,224 8,015 0,114 2,495 98,862 32,452 16,603 0,251 1,205

25 49,284 12,024 9,315 _ 2,684 98,862 25,325 18,384 _ 1,360

30 49,284 13,784 8,875 -0,364 3,380 98,862 27,326 17,884 -0,301 1,677

35 49,284 13,344 8,985 -0,482 3,895 98,862 26,424 18,109 -0,562 1,932

40 49,284 13,228 9,014 -0,509 4,438 98,862 26,302 18,142 -0,613 2,205

50 49,284 12,624 9,165 -0,823 5,456 98,862 25,902 18,240 -0,842 2,741

60 49,284 12,472 9,203 -0,923 6,519 98,862 25,662 18,302 -1,076 3,278

“-“ không xác định

Lê Hữu Thiềng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 107 - 113

111

y = -0.0319x + 0.7284R2 = 0.9575

y = -0.0223x + 0.3597R2 = 0.9321

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

0 20 40 60 80

thời gian (phút)

log

(qe-

qt)

C=49,284 mg/l

C=98.862 mg/l

Hình 4a.

y = 0.0527x + 0.1003

R2 = 0.9987

y = 0.1011x + 0.3876

R2 = 0.9956

0

1

2

3

4

5

6

7

0 20 40 60 80

thời gian (phút)

t/q(p

hút.g

/mg) C=49.284 mg/l

C=98.863 mg/l

Hình 4b.

Hình 4. Đồ thị phương trình động học bậc 1(hình 4a) và bậc 2 (hình 4b) của Cu2+

Bảng 6. Các thông số hấp phụ của Ni2+

Thời gian

(phút)

Ni2+

Co(mg/l) Ccb(mg/l) q (mg/g) Log (qe-qt) t/q Co(mg/l) Ccb(mg/l) q (mg/g) Log (qe-qt) t/q

10 48,438 26,884 5,389 0,421 1,856 98,962 54,926 11,009 0,737 0,908

20 48,438 22,456 6,496 0,184 3,079 98,962 45,879 13,271 0,504 1,507

25 48,438 18,869 7,392 -0,201 3,382 98,962 38,550 15,103 0,133 1,655

30 48,438 16,209 8,022 _ 3,739 98,962 33,112 16,462 _ 1,822

35 48,438 17,346 7,773 -0,604 4,503 98,962 35,439 15,881 -0,236 2,204

40 48,438 17,264 7,794 -0,641 5,132 98,962 35,271 15,923 -0,268 2,512

50 48,438 16,692 7,936 -1,066 6,301 98,962 34,104 16,215 -0,607 3,084

60 48,438 16,585 7,937 -1,229 7,534 98962 33,883 16,271 -0,716 3,688

y = -0.0348x + 0.746

R2 = 0.9738

y = -0.0307x + 0.9891

R2 = 0.9592

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

0 10 20 30 40 50 60 70

thời gian(phút)

log(

qe-q

t)

C=48.438 mg/l

C=98.9624 mg/l

Hình 5a.

y = 0.0554x + 0.3036

R2 = 0.9932

y = 0.1131x + 0.6234

R2 = 0.9936

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 10 20 30 40 50 60 70

thời gian(phút)

q/t(p

hút.g

/mg) C=98.962 mg/l

C=48,438mg/l

Hình 5b.

Hình 5. Đồ thị phương trình động học bậc 1(hình 5a) và bậc 2 (hình 5b) của Ni2+

Bảng 7. Một số tham số theo động học hấp phụ bậc 1 của Cu2+ và Ni2+

Ion Nồng độ (mg/l) Phương trình R2 k1

(phút-1) qe,exp(mg/g) qe,cal

(mg/g)

Cu2+ 49,284 Log(qe-qt)=0,7284-0,0319t 0,9575 0,0735 5,3506 12,024

98,836 Log(qe-qt)=0,3597-0,0223t 0,9321 0,0514 2,2893 18,384

Ni2+ 48,438 Log(qe-qt)=0,9891-0,0307t 0,9592 0,0707 9,7521 8,0224

98,9624 Log(qe-qt)=0,746-0,0348t 0,9738 0,0801 5,5702 16,4618

Lê Hữu Thiềng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 107 - 113

112

Bảng 8. Một số tham số theo động học hấp phụ bậc 2 của Cu2+ và Ni2+

Ion Nồng độ (mg/l) Phương trình R2 k2(g.mg-1 .phút-1) qe,exp (mg/g) qe,cal (mg/g)

Cu2+

49,284 qt =0,3876+0,1011t 0,9956 0,0263 9,8912 12,024

98,836 qt =0,0527+0,1003t 0,9987 0,4369 9,9701 18,384

Ni2+

48,438 qt =0,6234+0,1131t 0,9936 0,0205 8,8404 8,0224

98,9624 qt =0,3036+0,0554t 0,9932 0,0101 18,0505 16,4618

qe,exp , qe,cal là giá trị dung lượng hấp phụ cân bằng tính theo phương trình động học, theo thực nghiệm.

Từ bảng 7, 8 ta thấy ở các nồng độ khác nhau của Cu2+ , Ni2+ thì phương trình động học bậc nhất biểu kiến cho kết quả qe,exp khác nhiều so với qe,cal hệ số tin cậy R2 chưa cao (R2 <0.98). Phương trình động học bậc hai biểu kiến cho kết quả qe,exp tương đối phù hợp so với qe,cal và hệ số tin cậy R2 khá cao (R2 >0.99). Có thể kết luận quá trình hấp phụ Cu2+, Ni2+ của TBM tuân theo quy luật động học bậc hai của Lagergren.

KẾT LUẬN

- Đã chế tạo được TBM từ bã mía thông qua xử lý bằng axit sunfuric.

- Đã khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp phụ của TBM Cu2+, Ni2+:

+ pH tối ưu cho sự hấp phụ: Cu2+ là 5, Ni2+ là 6

+ Thời gian đạt cân bằng hấp phụ: Cu2+ là 25 phút, Ni2+

là 30 phút.

+ Khi tăng nồng độ đầu Cu2+, Ni2+ thì dung

lượng hấp phụ của TBM tăng.

- Đã xác định được dung lượng hấp phụ cực đại của TBM : đối với ion Cu2+ là 54,054 mg/g, Ni2+ là 44,834 mg/g.

- Động học hấp phụ của TBM đối với Cu2+, Ni2+

xảy ra theo phương trình bậc hai biểu kiến của Lagergren.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO [1]. Lê Hữu Thiềng, Nguyễn Thị Như Quỳnh (2010). Nghiên cứu khả năng hấp phụ Cu2+, Ni2+ của than vỏ lạc. Tạp chí Phân tích Hóa, Lý và Sinh học. Tập 15, số ĐB. Trang 160 -164 [2]. A.G.Liew Abdullah, MA, Mohd Salled, M.K.Siti Mazlina, M.J Megat Mohd Noor, M.R Osman, R.Wagiran, and S.Sobri, “Azo dye removal by adsorption using waste biomass: Sugarcane bagasse”, international Journal of engineering and technogy, vol.2, No.1, pp. 8-13, (2005). [3]. C. Namasivayam and K. Periasamy (1993). Bicarbonate - Treated peanut hull carbon for mercury(II) removal from aqueous solution. Water Res. Vol. 27. No. 11, pp, 1663 - 1668. [4]. G Issabayeva, Aroua M K & Sulaiman N M N (2006). Removal of lead from aqueous solution on palm shell activated carbon. Biores Technol, 97, 2350 - 2355. [5]. E. Pena Maria, George P.Kofiatis, Manish Patel, Lee Lippincott, Xiaoguang Meng (2005). Adsorptin of As(V) and As(III) by nanocrystalline titanium dioxide. Water Res, 39, pp.2327-2337. [6]. K A Krishnan & Anirudhan T S (2003). Removal of cadmium(II) from aqueous solutions by steam activated sulphurised carbon prepared from sugar-cane bagasse pith: kinetics and equilibrium studies. Water SA, 29, 147 – 156. [7]. S. Tangjuank, N.Insuk, J.tontrakoon, V.Udeye (2009). Adsorption of lead(II) and cadimium(II) ions from aqueous solutions by adsorption on activated carbon prepared from cashewnut shells. World Academy of Science, Engineering and Technology, 52. [8]. Wilson Kernit, Hong Yang, Chung W.Seo, Wayne E.Marshall (2006). Select metal adsorption by activated carbon made from peanut shells. Bioresoyrce Technology, Vol. 97, 2266 – 2270.

Dương Thị Tú Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 115 - 119

113

SUMMARY INVESTIGATION ON THE ADSORPTION OF Cu 2+ AND Ni2+ OF SUGARCANE BAGASSE CARBON

Le Huu Thieng∗, Hua Thi Thuy

College of Education - Thai Nguyen University

This paper reported the research of the removal of adsorption Cu2+, Ni2+ from aqueous solution of sugarcane bagasse carbon (SBC).The effect of pH, initial metal ion concentration and contact time were studied at room temperature ( 25 ± 10C). The analysic of Cu2+, Ni2+ ions concentration before and after adsorption by method of universal flame atomic adsorption (F-AAS).The results showed that as optium pH value of Cu2+and Ni2+ is the order of 5,0 and 6,0; contact time is 25 minutes for Cu2+, and Ni2 + for 30 minutes .In surveying the concentration range (from 24,286 mg/l to 199,324 mg/l for Cu2+, from 24,865 mg/l to 198,184 mg/l for Ni2+) using the Langmuir model. Results of studies, show that the amount of cation adsorbed per unit mass of SBC was 54,054 mg/g with Cu2+ and 44,843 mg/g with Ni2+. SBC absorpted Cu2+ is better than Ni2+. The kinetics of Cu2+and Ni2+ adsorption on SBC follow the two order rate expression given by Lagergren. . Key words: adsorption, sugarcane bagasse carbon, heavy metal, copper, niekel.

∗ Tel: 0982 859002

Dương Thị Tú Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 109 - 113

114

Dương Thị Tú Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 115 - 119

115

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KIỆN CHIẾT Zr(IV) TRONG MÔI TR ƯỜNG AXIT HCl B ẰNG DI-2-ETYLHEXYL PHOTPHORIC AXIT TRONG n-HEXAN

Dương Thị Tú Anh*, Chu Mạnh Nhương, Hứa Thị Tuyến

Trường Đại học Sư phạm – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT Bài báo thông báo các điều kiện tối ưu cho sự chiết Zr(IV) bằng D2EHPA (Di-2-etylhexyl photphoric axit) trong n-hexan. Đó là các điều kiện: nồng độ axit HCl khoảng 2M đến 3M, nồng độ của D2EHPA là 0,1M thì hiệu suất chiết một lần đạt trên 85%. Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ muối đến sự chiết Zr(IV) cho thấy sự có mặt của các muối NaClO3, KSCN có xu hướng làm tăng hiệu suất chiết Zr(IV) lên đặc biệt tăng mạnh khi nồng độ của NaClO3là 0,005M và nồng độ của KSCN là 0,1M. Nghiên cứu sự tách loại của Zr(IV) ra khỏi pha hữu cơ cho thấy: H2SO4 ở khoảng nồng độ từ 1M đến 2M không có khả năng tách loại Zr(IV) ra khỏi pha hữu cơ, còn hỗn hợp HNO3 2M-H2O2 9,8M có khả năng tách loại Zr(IV) tốt nhất. Từ khoá: chiết Zr(IV), alizarin S, D2EHPA, n-hexan, hiệu suất chiết.

∗ GIỚI THIỆU

Zirconi (Zr) là nguyên tố chuyển tiếp (thuộc nhóm IVB, bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học) được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt được dùng để chế tạo vỏ bọc thanh nhiên liệu hạt nhân (dưới dạng ZrO2). Tuy nhiên, để sử dụng được nó vào trong lĩnh vực này đòi hỏi Zr phải rất tinh khiết và vì thế cần phải loại bỏ các tạp chất đi kèm với nó đặc biệt là hafni (Hf)-nguyên tố có tính chất rất giống và luôn đi kèm với Zr [9].

Có thể tách loại Zr ra khỏi các tạp chất bằng phương pháp chiết dung môi. Trên thế giới, các tác nhân chiết như D2EHPA, PC88A, TBP, Cyanex...đang được nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu để chiết Zr(IV) trong các môi trường axit khác nhau [7,8,9]. Tuy nhiên phức chất tạo ra giữa Zr(IV) và các tác nhân trên thường không có màu trong vùng UV-Vis, vì vậy việc sử dụng chúng trong nghiên cứu chiết Zr(IV) đòi hỏi phải sử dụng các máy móc khá hiện đại. Từ những năm 60 của thế kỷ trước, tác nhân alizarin S đã được sử dụng khá phổ biến trong nghiên cứu xác định các kim loại vì khả năng tạo ra phức màu của nó với các ion kim loại [5]. Trong bài báo này, chúng tôi sử dụng alizarin S để xác định

∗ Tel: 0988 760319, Email: haianhsptn@gmail.com

Zr(IV) sau khi chiết nó bằng D2EHPA trong môi trường axit HCl.

THỰC NGHIỆM

Thiết bị, dụng cụ, hoá chất

- Máy quang phổ UV-Vis 1240 (Nhật bản).

- Máy lắc, phễu chiết và các dụng cụ dùng trong phân tích thể tích.

- Muối ZrOCl2.8H2O, D2EHPA (Di-2-etylhexyl photphoric axit), HCl, alizarin S, n-hexan: đều có độ tinh khiết phân tích.

Phương pháp

Tiến hành chiết Zr(IV) 91,224µ g/mL trong môi trường axit HCl bằng D2EHPA trong n-C6H14 với các điều kiện nghiên cứu khác nhau của mỗi thí nghiệm. Trong các thí nghiệm chiết, tỉ lệ thể tích pha hữu cơ và pha nước là 1:1; thời gian lắc và cân bằng hai pha đều là 20 phút [1,2,3]. Sau khi tách hai pha, lấy pha nước thực hiện phản ứng tạo phức màu với alizazin S (phức của Zr(IV)-alizarrin S có màu đỏ anh đào) và đo độ hấp thụ quang (A) của phức màu ở bước sóng 535,5nm [5]. Các giá trị độ hấp thụ quang được dùng để tính hiệu suất chiết (%Ex) và hệ số phân bố (D) của Zr(IV) trong hai pha khi chiết bằng D2EHPA.

Chuẩn bị các dung dịch phức của Zr(IV) và alizarin S trong môi trường axit HCl 2,5M thu được phức màu đỏ anh đào. Đo độ hấp thụ quang của phức màu tại bước sóng 535,5nm. Kết quả thu được dùng để xây

Dương Thị Tú Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 115 - 119

116

dựng đường chuẩn xác định Zr(IV) và chỉ ra ở bảng 1 và hình 1.

Chúng tôi tiến hành nghiên cứu các yếu tố như: ảnh hưởng của nồng độ HCl, ảnh hưởng của nồng độ D2EHPA, ảnh hưởng của một số muối như NaClO3, KSCN đến hiệu suất chiết Zr(IV). Nghiên cứu một số tác nhân tách loại Zr(IV) ra khỏi pha hữu cơ. Trong các thí nghiệm nồng độ của Zr(IV) ban đầu là 91,224µ g/mL.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Xây dựng đường chuẩn xác định Zr(IV)

y = 0.0381x - 0.0597R2 = 0.996

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 5 10 15 20 25 30 35

A

Hình 1. Đường chu ẩn xác định Zr(IV) trong môi tr ường axit HCl

[Zr(IV), ppm]

Đường chuẩn này được chúng tôi sử dụng để xác định hàm lượng của Zr(IV) trong các thí nghiệm tiếp theo.

Khảo sát các điều kiện tối ưu khi chiết Zr(IV) trong môi tr ường HCl bằng D2EHPA trong n-hexan. Các kết quả được chỉ ra từ bảng 2 đến bảng 6.

Từ bảng 2 cho thấy: trong khoảng nồng độ HCl từ 2M đến 3M thì hiệu suất chiết là lớn nhất. Do vậy khoảng nồng độ HCl từ 2M đến 3M là tối ưu nhất khi chiết Zr(IV). Với các kết quả trên và dựa vào tài liệu tham khảo [7] chúng tôi cho rằng cơ chế chiết Zr(IV) bằng D2EHPA (H2A2) trong môi trường axit HCl như sau:

- Ở miền axit thấp HCl (từ 0,1 đến 2M): xảy ra các phản ứng

[Zr8(OH)20(H2O)24Cl13]-(a)

+ H+ + 4H2A2(o) H3A2

+[Zr8(OH)20(H2O)24Cl13.3H2A2](o) (1)

[Zr(H2O)2Cl6]2-

(a) + 2H+ + 4H2A2 (o)

(2H3A2)2+[Zr(H2O)2Cl6.2H2A2]

2-(o); (2)

Các phản ứng (1), (2) có sự tiêu tốn ion H+, nên phần trăm chiết của Zr(IV) có xu hướng tăng theo nồng độ axit.

- Ở miền axit cao HCl (từ 2 đến 3,5M): xảy ra phản ứng:

ZrO22+

(a) + 2HA(o) ZrOA2(o) + 2H+(aq) (3)

Phản ứng (3) sinh ra ion H+, nên khi nồng độ axit tăng thì hiệu suất chiết của Zr(IV) có xu

hướng giảm.

Bảng 1. Độ hấp thụ quang (A) của phức Zr(IV) trong môi trường HCl 2,5M

TT 1 2 3 4 5 6 7 [Zr(IV)](ppm) 36 18 14,4 10,8 7,2 3,6 1,8

A ( λmax=535,5nm) 1,334 0,616 0,476 0,335 0,196 0,052 0,012

Bảng 2. Ảnh hưởng của nồng độ HCl đến hiệu suất chiết (%Ex) và hệ số phân bố (D) của Zr(IV)

CHCl(M) 0,1 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

A 1,105 1,058 0,938 0,649 0,529 0,538 0,537 0,615 0,809

% Ex 71,8 72,9 75,7 82,5 85,3 89,4 85,2 83,3 78,8

D 2,5 2,7 3,1 4,7 5,8 8,4 5,8 5,0 3,7

(Hệ chiết: Zr(IV) 91,224ppm; D2EHPA 10-4M trong n-hexan)

Bảng 3. Ảnh hưởng của nồng độ D2EHPA trong n-hexan đến hiệu suất chiết Zr(IV) và hệ số phân bố (D) của Zr(IV) ( Hệ chiết: Zr(IV) 91,224ppm; HCl 2,5M)

CD2EHPA(M) 10-4 0,005 0,01 0,02 0,03 0,05 0,1

A 0,938 0,646 0,568 0,582 0,578 0,570 0,123

%Ex 75,7 82,6 84,4 84,1 84,2 84,4 94,9

D 3,1 4,7 5,4 5,3 5,3 5,4 16,9

Dương Thị Tú Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 115 - 119

117

Bảng 4. Ảnh hưởng của nồng độ muối NaClO3 đến hiệu suất chiết Zr(IV) và hệ số phân bố (D) của Zr(IV)

CNaClO3(M) 0 0,01 0,05 0,1 0,25 0,5 0,75 1,0 1,5

A 1,241 0,875 0,145 0,851 0,947 0,632 0,630 0,369 0,267

% Ex 68,6 77,2 94,4 77,8 75,5 82,9 83,0 89,1 91,5

D 2,2 3,4 16,9 3,5 3,1 4,8 4,9 8,2 10,3

(Hệ chiết: Zr(IV) 91,224ppm; HCl 0,5M;có NaClO3; D2EHPA 0,005M trong n-hexan

Bảng 5. Ảnh hưởng của nồng độ muối KSCN đến % chiết Zr(IV) và hệ số phân bố (D) của Zr(IV)

CKSCN(M) 0,00 0,02 0,04 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,2 1,4

A 1,241 0,502 0,431 0,138 0,140 0,106 0,105 0,104 0,162 0,184

%Ex 68,6 86,0 87,7 94,6 94,5 95,3 95,4 95,4 94,0 93,5

D 2,2 6,1 7,3 17,5 17,2 20,3 20,7 20,7 15,7 14,4

(Hệ chiết: Zr(IV) 91,224ppm; HCl 0,5M;có KSCN; D2EHPA 0,005M trong n-hexan)

- Từ bảng 3 cho thấy: Khi tăng nồng độ D2EHPA thì hiệu suất chiết Zr(IV) tăng. Trong khoảng nồng độ của D2EHPA từ 0,01 đến 0,05M chúng tôi nhận thấy hiệu suất chiết Zr(IV) gần như không đổi đạt xấp xỉ 84%, và khi tăng đến 0,1M thì hiệu suất chiết tăng cao nhất là 94,9%. Do đó trong các thí nghiệm chiết tiếp theo, chúng tôi sử dụng giá trị nồng độ của D2EHPA là 0,005M.

Từ bảng 4 cho thấy: Khi có mặt của NaClO3 hiệu suất chiết Zr(IV) tăng lên so với lúc chưa có mặt của nó. Tại giá trị nồng độ của muối NaClO3 bằng 0,005M hiệu suất chiết Zr(IV) là lớn nhất. Vì vậy chúng tôi nhận thấy muối NaClO3 có ảnh hưởng tích cực đến hiệu suất chiết Zr(IV).

- Từ bảng 3.5 cho thấy: Khi có mặt của muối KSCN hiệu suất chiết Zr(IV) cũng tăng so với khi chưa có mặt của nó. Trong đó, hiệu suất chiết Zr(IV) tăng mạnh nhất khi nồng độ của KSCN tăng lên đến 0,1M. Tại giá trị nồng độ này nếu tiếp tục tăng nồng độ muối KSCN lên hiệu suất chiết hầu như không đổi. Chính vì vậy chúng tôi cho rằng muối KSCN có ảnh hưởng tích cực và ổn định đến hiệu suất chiết Zr(IV).

Qua nghiên cứu ảnh hưởng của các muối MX (NaClO3 và KSCN), chúng tôi cho rằng cơ chế ảnh hưởng của các muối khi chiết Zr(IV) trong môi trường HCl được thể hiện thông qua các phương trình phản ứng sau:

- Khi thêm các muối điện ly, chúng phân ly thành các ion:

MX → M+ + X-; X- là ClO3-, SCN- (4)

- Các cation M+ làm tăng khả năng phân ly của tác nhân H2A2:

2M+ + H2A2 M2A2 + 2H+ (5)

- Khi nồng độ của A22-, X- tăng thì sẽ tăng

cường sự tạo phức của Zr4+:

Zr4+ + A22- + 2X- ZrA2X2 (6)

Phức trung hòa điện ZrA2X2 được tạo thành càng mạnh thì nó bị chiết lên pha hữu cơ với hiệu suất càng cao. Do vậy, khi tăng nồng độ của các muối điện ly mạnh có gốc axit là các phối tử anion như ClO3

-, SCN- thì sẽ làm tăng hiệu suất chiết ion Zr4+. Tuy nhiên chúng tôi nhận thấy, phối tử SCN- có khả năng tạo phức mạnh hơn phối tử ClO3

- nên muối KSCN có hiệu ứng cường chiết mạnh hơn so với muối NaClO3.

Dương Thị Tú Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 115 - 119

118

Bảng 6. Giá trị % tách loại Zr(IV) ra khỏi pha hữu cơ bằng một số tác nhân

TT TN1 TN2 TN3 TN4 TN5 TN6

A(H2O) 1,878 1,866 1,816 1,873 1,870 1,873 A(sau giải chiết) 0,087 0,123 0,143 0,121 - - % tách loại Zr(IV) 7,58 9,17 9,74 9,34 0 0

Trong đó: TN1 (HNO31M); TN2 (HNO32M); TN3(HNO32M: H2O29,8M theo tỷ lệ 8:2 về thể tích); TN4(HNO3 2M:

H2O2 9,8M theo tỷ lệ 7:3 về thể tích); TN5(H2SO41M); TN6(H2SO4 2M).

Dựa vào bảng 3.6 cho thấy tác nhân TN5 và TN6 không có khả năng tách loại Zr(IV) ra khỏi pha hữu cơ. Còn các tác nhân còn lại có khả năng tách loại Zr(IV) ra khỏi pha hữu cơ. Trong đó, tác nhân TN3 có khả năng tách loại tốt nhất. Chúng tôi cho rằng tính oxi hóa mạnh của tác nhân TN3 đã làm tăng khả năng tách loại của nó đối với Zr(IV).

KẾT LUẬN

- Xây dựng được đường chuẩn xác định Zr(IV) trong môi trường axit HCl 2,5M với khoảng nồng độ tuyến tính tuân theo định luật buge-Lamber-Beer của Zr(IV) từ 1,8 đến 36 µ g/mL với hệ số tương quan của mẫu là:

2R =0,9994.

- Xác định được khoảng nồng độ tối ưu của axit HCl khi chiết Zr(IV) là từ 2,0 đến 3,0 M và giải thích cơ chế ảnh hưởng của nồng độ HCl đến sự chiết Zr(IV) bằng D2EHPA.

- Xác định được nồng độ tối ưu của tác nhân chiết D2EHPA trong n-hexan là 0,005M.

- Nghiên cứu tác nhân tách loại Zr(IV) ra khỏi pha hữu cơ cho thấy: Dung dịch H2SO4 loãng (từ 1M đến 2M) không có khả năng tách loại Zr(IV) ra khỏi pha hữu cơ. Dung dịch HNO3 có khả năng tách loại Zr(IV) ra khỏi pha hữu cơ. Trong đó, hỗn hợp (HNO3 2M+ H2O2) theo tỷ lệ 8 : 2 về thể tích có khả năng tách loại tốt nhất.

- Nghiên cứu và giải thích cơ chế ảnh hưởng của các muối NaClO3, KSCN cho thấy cả hai muối đều có ảnh hưởng tích cực đến hiệu suất chiết Zr(IV). Trong đó, tại giá trị nồng độ NaClO3 bằng 0,05M và nồng độ của KSCN bằng 0,1 M thì các muối này có ảnh hưởng tốt nhất đến hiệu suất chiết Zr(IV). Trong đó,

muối KSCN có ảnh hưởng mạnh hơn so với muối NaClO3.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1]. Trần Tứ Hiếu (2001), Phân tích quang phổ hấp thụ UV-Vis, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội. [2]. Hồ Viết Quý (2002), Chiết tách, phân chia, xác định chất bằng dung môi hữu cơ T1, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội. [3]. Hồ Viết Quý (2007), Các phương pháp phân tích công cụ trong hoá học hiện đại, NXB Đai học Sư phạm. [4]. B. Ramachandra Reddy, J. Rajesh Kumar, A. Varada Reddy, D. Neel Priya (2004), Solvent extraction of zirconium (IV) from chloride media By PC88A in Kerosene, India. [5] C. Dragulescu, T. Simonescuand Septimia Policec (1963), Extraction of the zirconium – alizarin S complex With butanol, , Romania. [6]. S. Acharya, A, Nayak (1987), Separation of D2EHPA and M2EHPA, India. [7]. R.K.Biswas, M.A. Hayat (2002), Solvent extraction of zirconium(IV) from chloride media by D2EHPA in Kerosene, Bangladesh. [8]. P.H. Tedesco V.B.de Rumi, J.A.Gonza’lez Quintana (1966), Extraction of tetravalent metals with D2EHPA, Romania. [9]. Science Direct, Hydrometallurgy (2008), Zirconium and hafnium, properties of zirconium. India.

Đinh Thúy Vân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 121 - 125

119

SUMMARY RESEARCH ON CONDITIONS FOR SOLVEN EXTRACTION OF Zr( IV) FROM CHLORIDE MEDIA BY D2EHPA IN n-HEXAN

Duong Thi Tu Anh∗, Chu Manh Nhuong, Hua Thi Tuyen

Faculty of Chemistry, Thai Nguyen University of Education

The newpaper article introducis the best conditions for solvent extraction of Zr(IV) by D2EHPA (Di-2-etylhexyl photphoric acid) in n-hexan. These were: concentration of HCl acid about from 2 to 3M; concentration of D2EHPA was 0,1M. So, the efficiency of the first extraction was above 85%. Researching an influence of some salts as NaClO3 and KSCN made increased the extraction efficiency of Zr(IV). Especially, it increasses fast when concentration of KSCN was 0,1M and concentration of NaClO3 was 0,005M. Researching the separation of Zr(IV) from organic phase shows: acid H2SO4 solution was incapacity of separation Zr(IV) from organic phase but acid HNO3 solution was capacity of separation Zr(IV). However, mixture of HNO3 2M and H2O2 9,8M with HNO3/H2O2 ratio was 8/2 about volume capacity of the best separation Zr(IV). Key words: extraction of zirconi(IV), alizarin S, D2EHPA, n-hexan, performance extracted.

∗ Tel: 0988 760319, Email: haianhsptn@gmail.com

Dương Thị Tú Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 115 - 119

120

Đinh Thúy Vân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 121 - 125

121

MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU BAN ĐẦU VỀ THÀNH PHẦN HÓA HỌC TRONG LÁ CÂY SỔ (DILLENIA INDICA L.)

Đinh Thúy Vân, Nguyễn Thị Mai, Phạm Văn Thỉnh*

Trường Đại học Sư phạm - ĐHTN TÓM TẮT

Cây sổ có tên khoa học là Dillenia indica mọc phổ biến ở vùng núi nước ta. Quả sổ dùng làm thức ăn, làm mứt. Theo Đông y, lá và vỏ cây sổ dùng để làm thuốc nam chữa bệnh. Bằng các phương pháp sắc kí cột với chất hấp phụ là silicagel đã phân lập được từ cặn chiết n-hexan của lá cây sổ (Dillenia indica) hai steroit thuộc lớp phytosterol và một tritecpenoit , còn từ cặn chiết etyl axetat cũng phân lập được hai flavonoit. Cấu trúc hóa học của các hợp chất này được xác định bằng các phương pháp phổ như ESI-MS, FT-IR, NMR là stigmatsterol; β-sitosterolglucozit, tritecpen là 3β-hidroxy-lup-20(30)-en-28-oic còn hai flavonoit là 3,5-đihiđroy-4’-metoxy-flavon-7-O-L-glucozyt và 5,7,4’-trihyđroxy-6-O-L-glucuzyl-6”-oic-flavon. Từ khóa: Dillenia indica, stigmatsterol, β-sitosterol, flavonoit, 3,5-đihiđroy-4’metoxy-flavon-7-O-L-glucosyllavon; betulinic, 5,7,4’-trihyđroxy-6-O-L-glucusyl-6” -oic-flavon.

∗MỞ ĐẦU

Cây sổ còn gọi là cây sổ bà, cây thiên biên, người Thái gọi là cây co má sản, có tên khoa học Dillenia indica thuộc họ sổ (Dilleniaceae). Cây sổ là cây thân gỗ cao tới 20m, vỏ thân xù xì có những vết sẹo của cuống lá hình lưỡi liềm, lá to hình bầu dục hai đầu nhọn, mép lá có răng cưa rất đều, phiến lá dài 13-30cm, rộng 5-10cm, có từ 15-23 đôi gân nổi rất đều rõ ở mặt dưới. Hoa to, quả hình cầu đường kính 10cm, mang đài tồn tại, phát triển thành bản dày mọng nước, vị chua, ăn được như chanh. Mùa hoa tháng 3-5, mùa quả tháng 8-10. Cây sổ mọc hoang ở vùng rừng núi các tỉnh phía Bắc nước ta, đặc biệt ở các bờ suối. Phần các lá đài của quả là phần ăn được, được thu hoạch để ăn thay các quả chua, có thể dùng để làm mứt, pha nước uống. Theo Đông y, lá của cây sổ được thu hái phơi khô dùng làm thuốc giải độc chữa ho, sốt, phù thũng, đầy bụng. Vỏ cây sổ sấy khô, đun nước uống có tác dụng chữa sỏi thận [1]. Thành phần hóa học của cây sổ Việt Nam còn ít được nghiên cứu. Nghiên cứu bước đầu cho biết quả sổ có chứa các axit hữu cơ, vỏ cây sổ có chứa các phytosterol, các tritecpenoit [2]. Cây sổ có nhiều công dụng cả trong lĩnh vực thực phẩm và Đông y, nhưng cho đến nay ở nước ta có rất ít các công trình nghiên cứu chúng. Bài báo này chúng tôi sẽ

∗ Tel: 0912 132563, Email: phamvanthinhsptn@gmail.com

thông báo kết quả thành phần một số tritecpenoit có trong lá cây sổ.

THỰC NGHIỆM

Nguyên liệu

5kg lá sổ mọc bên bờ suối ở huyện Hàm Yên, Tuyên Quang được TS. Lê Ngọc Công Khoa sinh trường Đại học sư phạm thẩm định là loài Dillenia indica L. Mẫu tươi được diệt men bằng cách sấy nóng ở 1100C trong 10 phút sau đó sấy khô ở nhiệt độ 40-500C đến khối lượng không đổi thu được 1150 gam.

Phương pháp nghiên cứu.

Mẫu thực vật khô được nghiền nhỏ thành bột, ngâm chiết bằng dung môi n-hexan ở nhiệt độ phòng (5 lần, mỗi lần 24 giờ). Thu hồi toàn bộ dung môi n-hexan, làm khô bằng natri sunfat khan, cất cô dưới áp suất giảm (để thu hồi dung môi) đến cặn khô (35g). Phần không tan trong n-hexan tiếp tục ngâm chiết bằng etyl axetat ở nhiệt độ phòng (5 lần, mỗi lần 24 giờ). Phần dung dịch etyl axetat cũng được thu gom và chế biến tương tự phần n-hexan, thu được cặn khô (42g). Phần nguyên liệu không tan trong etyl axetat tiếp tục được ngâm chiết trong metanol và cũng thu chất như cách thức trên được (48g).

Phân lập các chất có độ phân cực gần nhau trong các phần cặn để thu các chất tinh khiết được tiến hành theo phương pháp sắc kí cột

Đinh Thúy Vân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 121 - 125

122

và rửa nhanh lại bằng dung môi thích hợp. Từ cặn n-hexan thu được 2 chất tinh khiết kí hiệu là chất HD-1 (22mg) và chất HD-2 (28mg), còn từ cặn etyl axetat thu được ba chất tinh khiết khác kí hiệu là chất ED-1, ED-2 và ED-3.

Thiết bị nghiên cứu

Để phân lập các chất có trong lá sổ chúng tôi dùng sắc kí cột nhồi silicagel (Kieselgel 64-200 mesh). Các quá trình chiết dùng hóa chất kĩ thuật, các quá trình phân lập và tinh chế dùng hóa chất tinh khiết của hãng Meck. Sản phẩm tinh khiết được xác định điểm chảy bằng máy Electrothermal IA-9200 (Anh), Phổ IR được ghi trên máy IMPACT 410 sử dụng đĩa nén tinh thể KBr. Phổ ESI-MS đo trên máy HP-1100 LS/MS Trap. Phổ 1H-NMR (500 MHz) và 13C-NMR (125 MHz) được ghi trên máy Bruker AM500 FT-NMR và TMS được sử dụng là chất nội chuẩn. Sắc kí cột (CC) sử dụng chất nhồi Silicagel (Kieselgel 60, 70 - 230 mesh và 230 - 400 mesh, Merck).

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Từ các phân đoạn dịch chiết n-hexan và etylaxetat của bột khô lá cây sổ (1,0 kg), bằng các phương pháp ngâm chiết, phân lập các chất trên sắc ký cột với chất nhồi Silicagel rửa giải bằng các hệ dung môi thích hợp chúng tôi đã thu được 5 chất sạch.

Hợp chất HD-1 thu được từ phần cặn n-hexan là chất rắn, sau khi kết tinh lại trong metanol thu được tinh thể hình kim không màu (29 mg), điểm chảy 138-140 0C. IR (νmax, cm-1): 3431,5 (dao động hóa trị OH), 2931,3 (dao động hóa trị CH); 1647,2 (C=C); EI-MS (m/z): 414[M]+. 1H-NMR (500MHz, CDCl3, TMS, δ ppm): 3,51 (1H, m, H-3); 5,31 (1H, dd, J=5 và 2 Hz, H-6); 1,01 (3H, s, H-18); 0,92 (3H, d, J = 6,6Hz, H-21); 0,85 (3H, d, J = 7,1Hz, H-26); 0,84 (3H, d, J = 6,6Hz, H-29); 0,81 (3H, d, J = 6,6Hz, H-28); 0,68 (3H, s, H-19). 13C-NMR (125MHz, CDCl3, TMS, δ ppm): 37,3 (C-1); 31,7 (C-2); 71,8 (C-3); 42,3 (C-4); 140,8 (C-5); 121,7 (C-6); 31,9 (C-7); 31,9 (C-8); 50,2 (C-9); 36,5 (C-10); 21,1 (C-11); 39,8 (C-12); 42,3 (C-13); 56,8 (C-14); 24,3 (C-15); 28,3 (C-16); 56,1 (C-17); 11,9 (C-18); 19,4 (C-19); 36,2 (C-20); 18,8 (C-21); 33,9 (C-22); 26,1 (C-23); 45,9 (C-24); 29,2

(C-25); 19,1 (C-26); 19,4 (C-27); 23,1 (C-28); 11,9 (C-29).

So sánh đối chiếu các dữ liệu về phổ và tính chất vật lí của chất HD-1 với các tạp chí đã công bố cho biết chất HD-1 chính là β-Sitosterol

β-Sitosterol (HD-1)

Hợp chất HD-2 là chất rắn màu trắng, sau khi kết tinh lại trong metanol thu được tinh thể hình kim, nóng chảy ở 316-3180C, dễ tan trong dung môi ít phân cực, khó tan trong nước. Phổ FT-IR cho vân hấp thụ mạnh, rộng, tù ở vùng 3400 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của nhóm OH Phổ 1H-NMR (500MHz, CDCl3, TMS, δ ppm): 3,37 (1H, q, J=6Hz, H-3), 2,91 (1H, m, H-19) 4,69 (1H,d, J=2Hz, H-29)và 4,56 (1H,m, H-29) 1,64 (3H, s, H-30) Phổ 13C-NMR (125MHz, DMSO, TMS, δ ppm) cho thấy 37,59 (t, C-1); 27,12 (t, C-2); 76,79 (d, C-3); 39,92 (t, C-4); 54,90 (d, C-5); 17,94 (t, C-6); 33,92 (t, C-7); 40,24 (d, C-8); 49,94 (d, C-9); 38,27 (s, C-10); 20,45 (t, C-11); 25,07 (t, C-12); 38,46 (d, C-13); 41,98 (s, C-14); 31,70 (t, C-15); 36,32 (t, C-16); 55,39 (s, C-17); 48,55 (d, C-18); 46,58 (d, C-19); 150,26 (s, C-20); 30,10 (t, C-21); 39,00 (t, C-22); 27,78 (q, C-23); 15,70 (q, C-24); 15,90 (q, C-25); 15,74 (q, C-26); 13,36 (q, C-27); 177,17 (s, C-28); 109,55 (, C-29) ; 18,92 (q, C-30).

Các đặc trưng về phổ của chất HD-2 hoàn toàn phù hợp với các dữ liệu về phổ của axit betulinic đã được công bố trên tạp chí [2-5]

CH2

H3C

OH

CH3 CH3

CH3

H3C CH3

HO

1

2

3

45

6

7

8910

11

1213

14

15

16

17

18

1920 21

22

23 24

2526

27

28

29

30

O

Axit betulinic (HD-2)

Đinh Thúy Vân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 121 - 125

123

Chất ED-1 Tinh thể hình kim không màu, điểm chảy 296-298 0C. 1H-NMR (500MHz, CDCl3, TMS, δ ppm): 3,41 (1H, m, H3α); 5,32 (1H, dd, J=5Hz và 2Hz, H-6); 5,11 (1H, dd, J=15Hz và 5Hz, H-22); 5,03 (1H, dd, J=15Hz và 5Hz, H-23); 1,00 (3H, s, H-18); 0,95 (3H, d, J21-20 = 6,4Hz, H-21); 0,85 (3H, d, J26-25 = 7,2Hz, H-26); 0,83 (3H, d, J29-27 = 6,5Hz, H-29);0,80 (3H, d, J28-27 = 6,5Hz, H-28); 0,70 (3H, s, H-19); 4,3 (d, J1’-2’ = 7,8Hz, H-1’ phần đường); và các tín hiệu của các proton thuộc các C carbinol phần đường glucozơ có độ dịch chuyển hóa học nằm trong khoảng 3,2 – 3,9 ppm. 13C-NMR (125MHz, DMSO, TMS, δ ppm): Phần đường gồm: 100,7 (d, C-1’); 73,3 (d, C-2’); 76,4 (d, C-3’); 70,1 (d, C-4’); 76,9 (d, C-5’); 61,9 (d, C-6’); Phần genin: 38,1 (t, C-1); 29,5 (t, C-2); 71,7 (d, C-3); 42,2 (t, C-4); 140,6 (s, C-5); 120,8 (d, C-6); 38,2 (t, C-7); 31,5 (d, C-8); 50,3 (d, C-9);

36,0 (s, C-10); 24,4 (t, C-11); 38,2 (t, C-12); 31,5 (s, C-13); 56,1 (d, C-14); 25,6 (t, C-15); 31,1 (t, C-16); 55,4 (d, C-17); 15,0 (q, C-18); 18,6 (q, C-19); 45,1 (d, C-20); 20,8 (q, C-21); 137,5 (d, C-22); 128,7 (d, C-23); 49,5 (d, C-24); 33,2 (d, C-25); 20,5 (q, C-26); 19,3 (d, C-27); 18,8 (q, C-28); 11,7 (q, C-29).

So sánh đối chiếu các dữ liệu phổ của chất ED-1 với các dữ liệu phổ của chất 3β-O-stigmasterol-glucopyranosid hoàn toàn phù hợp cho phép quy kết chất ED-1 là 3β-O-stigmasterol-glucopyranosid.

O

O

OH

HOOH

HO

3β-O-stigmasterol-glucopyranosid (ED-1)

Bảng 1.Độ chuyển dịch hóa học trong phổ NMR của các chất ED-2 và ED-3

Vị trí Chất ED-2 Chất ED-3

ACD (tính) δC (ppm) δH (ppm) ACD (tính) δC (ppm) δH (ppm)

2 149,54 146,94 163,65 163,27

3 136,30 136,387 102,65 101,97 6,68 s

4 173,50 176,18 182,20 181,13

5 160,50 160,37 152,90 14,34

6 99,20 98,77 6,43, d,J=2 127,90 126,06

7 162,90 162,75 157,40 157,22

8 94,80 94,41 6,82, d,J=2 94,40 100,19 6,69 s

9 156,00 156,72 152,20 152

10 108,33 104,71 104,60 100,90

1’ 123,10 123,93 121,20 121,27

2’ 129,30 129,42 8,17 dd 128,15 128,96 8,15 d

3 113,90 114,05 7,14 dd, 115,80 115,88 6,90 d

4’ 164,90 160,61 160,90 160,92

5’ 113,90 114,047 7,14; (dd, 115,80 115,88 6,90 d

6’ 129,30 129,42 8,17; dd, 128,50 128,96 8,15 d

1’’ 100,50 99,87 5,13(d,J=5) 103,50 106,46 4,67 d

2’’ 73,40 73,08 3,28 733,50 72,89 3,26 m

3’’ 76,70 76,39 3,33 75,90 76,42 3,16 m

4’’ 70,10 69,54 3,18 m 71,30 72,41 3,58 m

5’’ 77,30 77,13 3,45 m 75,50 76,01 3,60 d

6’’ 61,20 60,58 3,46 m 169,9 171,95

4’. OCH3 55,25 55,35 3,85 s

Đinh Thúy Vân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 121 - 125

124

Chất ED-2 là chất rắn vô định hình (15mg) màu vàng sáng, nóng chảy và bị phân hủy ở 2820C, Phổ IR cho các vân đặc trưng cho dao động hóa trị của nhóm C=O ở vùng 1665cm-1 và vân ở vùng 3405 cm-1 cho biết có dao động hóa trị của nhóm OH. Phổ 1H-NMR (500MHz, DMSO, TMS, δ ppm): 12,77 (1H, s ) là tín hiệu đặc trưng của nhóm OH ở vị trí C-5 trong các hợp chât flavonoit vì nhóm OH tạo ra vòng với Oxi ở vị trí C-4 bằng liên kết hiđro. Phổ 13C-NMR và phổ DEPT cho biết chất ED-2 có 22 nguyên tử cacbon bao gồm 1 nhóm CH3, 1 nhóm CH2, 11 nhóm CH và 9 cacbon bậc 4. Nguyên tử C-1 của phần đường cho δC ở 99,87ppm có thể quy kết chất ED-2 tồn tại ở dạng O-glucozit. Độ chuyển dịch hóa học của từng vị trí được trình bày ở bảng 1. Căn cứ vào kết quả ghi phổ của chất ED-2, so với phần mềm tính được do mô phỏng của chất 3,5-đihyđroxy-4’-metoxi-7-O-glucosylflavon cho thấy có sự tương thích rất tốt, với sự sai số cho phép để có thể khẳng định chât ED-2 là 3,5-đihyđroxy-4’-metoxi-7-O-glucosylflavon.

OOCH3

OH

O

OOH

O

OH

HO

HO OH

3,5-đihyđroxy-4’-metoxi-7-O-glucosylflavon

(ED-2)

Chất ED-3 thu được sau phân đoạn ED-2, khi rửa giải cột sắc kí bằng hệ dung môi etyl axetat-metanol (7:3) sau đó được kết tinh lại trong metanol thu được 16 mg chất rắn màu vàng. Phổ FT-IR cho biết có vân đặc trưng cho dao động hóa trị ở 3350cm-1 và các vân đặc trưng cho dao dộng hóa trị của liên kết C=O ở vùng 1690cm-1. Phân tích sơ bộ phổ NMR của chất ED-3 cho thấy cũng tương tự như phổ của chất ED-2 điều này cho biết chất ED-3 cũng là một flavonoit. Khi phân tích chi tiết cho thấy chất ED-3 chỉ có 21 nguyên tử cacbon gồm 11 nhóm CH và 10 cacbon bậc 4, trên phổ DEPT không thấy nhóm CH3 và nhóm CH2. Nguyên tử cacbon của nhóm CH có δC=101,98 và hiđro liên kết với nó có δH=6,68 s chính là cacbon C-3 đặc trưng cho vị trí C-3 của các flavon. Nguyên tử cacbon C-1’’ của đường cho δC=106,46 chứ ng tỏ đường liên kết với flavon bằng liên kết O-glucosyl. Phổ 13C-

NMR còn có 2 cacbon cho độ chuyển dịch hóa học ở trường yếu với δC=181,13 và δC=171,95 chứng tỏ phân tử ED-3 có 2 nhóm C=O trong đó nhóm C=O có δC=181,13 là nhóm C=O tại C-4 còn nhóm C=O có δC=171,95 là nhóm C=O trong nhóm cacboxyl của axit glucuronic. Số liệu chi tiết về phổ NMR của chất ED-3 và số liệu tính toán từ phần mềm của công thức mô phỏng được trình bày ở bảng 3.1. Như vậy từ công thức giả định và phổ NMR chúng tôi ghi được của chất ED-3 có sự phù hợp cao, vì vậy chúnh tôi quy kết chất ED-3 là 5,7,4’-trihidroxi-6-O-glucusyl-6’’ -oic-flavon.

OHO

OH OO

OH

O

OHO

OHHO

HO

5,7,4’-trihidroxi-6-O-glucusyl-6’’ -oic-flavon

(ED-3)

KẾT LUẬN

Từ các dịch chiết bằng n-hexan và etyl axetat của lá cây sổ Dillenia indica đã phân lập được 5 chất tinh khiết, gồm 2 steroit, 1 tritecpen và 2 flavonoit, đã chứng minh được cấu trúc hóa học của chúng. Các chất flavonoit là các chất chưa có tài liệu nào công bố có trong thực vật Dillenia indica, đó cũng là các lớp chất có hoạt tính sinh học cao, có tác dụng tiêu độc, kháng oxi hóa tốt..

TÀI LI ỆU THAM KHẢO [1]. Đỗ Tất Lợi, (1999). “Những cây thuốc và vị thuốc Việt Nam” Nxb Y học Hà Nội- 1999. [2].Phạm Văn Thỉnh, Lê Văn Kiên, (2010), Các tritecpenoit trong vỏ cây sổ Dillenia indica. Tạp chí Khoa học & Công nghệ. T.69(07), tr 125-129. [3]. Shashi B., Mahato and Asish P. Kundu (1985). 13C-NMR spectra of pentacyclic triterpenoids –a compilation and some salient features. Phytochemistry, Vol-39 (6) p. 1417- 1574. [4]. Kamala.P, Trwari, Sariti. D, Srivastava and Santosh (1980). K. α-L-Ramnopyranozyl-3β-hidroxylup-20(29)-en-28-oic acid from the stem of Dillenia pentagina. Phytochemistry Vol-19, p 980-981. [5]. Andre Nick, Anthony D, Wright, (1995). Atinbacterial triterpenoids from Dillenia Papuana and their structure- activity relationships Phytochemistry, Vol-40 (6) p. 1691- 1695.

Đinh Thúy Vân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 121 - 125

125

SUMMARY PRIMARY STUDY ON THE CHEMICAL COMPOSITION FROM DILLENIA INDICA L. BARK

Dinh Thuy Van∗, Nguyen Thi Mai, Pham Van Thinh

College of Education - TNU

Dillenia indica grows common in our country’s moutains. According to oriental medicine, it’s leaves and bark used as Vietnamese traditional medicine treatment. By the method of column chromatography with silicagel absorbent was isolated from n-hexane extraction residue of the leaves Dillenia indica two steroid and a tritecpenoit. from ethyl acetate extracts were isolated three substances.The chemical structure of these compounds was determined by spectral methods such as ESI-MS, FT-IR, NMR is stigmatsterol; β-sitosterolglucosid, betulinic acid and two flavonoid: 3,5-dihydroy-4’-metoxy-flavones-7-O-L-glucozyt and 5,7,4’-trihydroxy-6-O-L-glucusyl-6’’ -oic-flavon. Key words: Dillenia indica, stigmatsterol, β-sitosterol, flavonoit, 3,5-đihiđroy-4’metoxy-flavon-7-O-L-glucosylflavon; betulinic, 5,7,4’-trihyđroxy-6-O-L-glucusyl-6” -oic-flavon.

∗ Tel: 0912 132563, Email phamvanthinhsptn@gmail.com

Đinh Thúy Vân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 121 - 125

126

Đinh Thúy Vân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 121 - 125

127

XÁC ĐỊNH ĐỒNG THỜI ACETAMINOPHEN, LORATADIN VÀ DEXTROMETHORPHAN HYDROBROMID TRONG THU ỐC VIÊN NÉN HAPACOL-CF BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRẮC QUANG

Lê Ngọc Anh, Mai Xuân Trường*

Trường Đại học Sư phạm – Đại học Thái Nguyên

TÓM TẮT Trong bài báo này chúng tôi công bố kết quả xác định đồng thời acetaminophen (ACE), loratadin (LOR) và dex tromethophan hydrobromit (DEX) trong thuốc viên nén Hapacol-CF. Phổ hấp thụ phân tử của acetaminophen, loratadin và dex tromethophan hydrobromit xen phủ nhau nhiều trong khoảng bước sóng 200-300nm. Phương pháp lọc Kalman xác định đồng thời acetaminophen, loratadin and dex tromethophan hydrobromit trong thuốc viên nén Hapacol-CF với độ thu hồi của acetaminophen từ 101,08% đến 102,08%, độ thu hồi của loratadin từ 92,9% đến 99,45% và độ thu hồi của dex tromethophan hydrobromit từ 99,87% đến 102,24 %. Từ khóa: Acetaminophen, loratadin , dex tromethorphan hydrobromit, Phương pháp lọc Kalman.

∗ MỞ ĐẦU

Hiện nay, trên thị trường các loại thuốc đa tác dụng: hạ nhiệt, giảm đau, chữa ho, cảm cúm…được bày bán rộng rãi với nhiều tên gọi và trong thành phần có chứa từ 2 đến 4 hoạt chất như: acetaminophen, dex tromethophan hydrobromit, loratadin, ibuprofen, caffein, codein... Để thực hiện phép phân tích có thể ứng dụng kiểm tra hàm lượng các biệt dược một cách tương đối đơn giản, nhanh chóng chúng tôi sử dụng phương pháp phổ hấp thụ phân tử kết hợp áp dụng thuật toán lọc Kalman để xây dựng qui trình định lượng đồng thời acetaminophen (ACE), dex tromethophan hydrobromit (DEX), loratadin (LOR).

THỰC NGHIỆM

Thiết bị và hóa chất

Các phép đo quang được thực hiện trên máy quang phổ UV-VIS 1700 PC - Shimazu (Nhật Bản) có kết nối máy tính, khoảng bước sóng từ 190 - 900 nm, cuvet thạch anh chiều dày l = 1cm. Chất chuẩn acetaminophen, loratadin và dextromethorphan hydrobromit do viện kiểm nghiệm dược cung cấp. Các loại axit đặc: HCl, HNO3, H2SO4 của Merck. Thuốc viên nén Hapacol - CF được sản xuất bởi công ty cổ phần dược Hậu Giang. Thành phần theo công bố là ACE: 500mg, LOR: 5mg và

∗ Tel:0912 739257

DEX: 15mg. Ngày sản xuất: 28/06/2010. Số lô sản xuất: 040510A. Hạn sử dụng: 28/06/2012.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Khảo sát điều kiện tối ưu cho phép đo quang

Khảo sát phổ hấp thụ phân tử của ACE, LOR, DEX trong dung dịch HCl, HNO3, H2SO4 có pH=1, pH=2, pH=3 ở các thời gian và nhiệt độ khác nhau sau khi pha chế.Tiến hành quét phổ của các dung dịch đó trong khoảng bước sóng từ 200 đến 900 nm.

Hình 1. Phổ hấp thụ của dung dịch chuẩn

ACE( 1), LOR (2), DEX (3)

Kết quả khảo sát cho thấy môi trường thuận lợi cho việc đo phổ hấp thụ phân tử của ACE, LOR và DEX là dung dịch HCl có pH = 1. Độ hấp thụ quang cực đại của ACE là λ = 244 nm, LOR là λ = 273 nm và DEX là λ = 278 nm. Khoảng bước sóng để thực hiện các phép đo độ hấp thụ quang của dung dịch là 210-

Lê Ngọc Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 127 - 131

128

285 nm, trong thời gian 30 phút sau khi pha và ở nhiệt độ 250C÷300C. Kiểm tra tính cộng tính độ hấp thụ quang của các chất trong hỗn hợp đối với các mẫu giả tự pha với sai số <7%. Xác định được LOD, LOQ và khoảng tuyến tính của các chất ACE: 1,3÷25 µg/ mL, LOR: 1,3÷80 µg/mL, DEX: 0,6÷100 µg/ mL.

Khảo sát, đánh giá độ tin cậy của phương pháp đối với các hỗn hợp 2 cấu tử

Hỗn hợp 2 cấu tử ACE và LOR

Khi hàm lượng ACE>LOR trên 25 lần thì phương pháp lọc Kalman mắc sai số >5% và khi hàm lượng ACE>LOR trên 45 lần thì sai số mắc phải >10% trong phép xác định hàm lượng cấu tử LOR. Còn sai số trong phép xác định hàm lượng cấu tử ACE luôn < 1%.

Khi hàm lượng LOR>ACE trên 60 lần thì phương pháp lọc Kalman mắc sai số >5% và khi hàm lượng LOR>ACE trên 95 lần thì sai số mắc phải >10% trong phép xác định hàm lượng cấu tử ACE. Còn sai số trong phép xác định hàm lượng cấu tử LOR hầu hết < 2%.

Hỗn hợp 2 cấu tử ACE và DEX

Khi hàm lượng ACE>DEX trên 10 lần thì phương pháp lọc Kalman mắc sai số >5% và khi hàm lượng ACE>DEX trên 40 lần thì sai số mắc phải >10% trong phép xác định hàm lượng cấu tử DEX. Còn sai số trong phép xác định hàm lượng cấu tử ACE hầu hết < 1%.

Khi hàm lượng DEX>ACE trên 55 lần thì phương pháp lọc Kalman mắc sai số >5% và khi hàm lượng DEX>ACE trên 85 lần thì sai số mắc phải >10% trong phép xác định hàm lượng cấu tử ACE. Còn sai số trong phép xác định hàm lượng cấu tử DEX luôn < 1%.

Hỗn hợp 2 cấu tử LOR và DEX

Khi hàm lượng LOR >DEX trên 4 lần thì phương pháp lọc Kalman mắc sai số >5% và khi hàm lượng LOR >DEX trên 15 lần thì sai số mắc phải >10% trong phép xác định hàm lượng cấu tử DEX. Còn sai số trong phép xác định hàm lượng cấu tử DEX luôn < 1%.

Khi hàm lượng DEX >LOR trên 25 lần thì phương pháp lọc Kalman mắc sai số >5% và khi hàm lượng DEX >LOR trên 45 lần thì sai số mắc phải >10% trong phép xác định hàm lượng cấu tử LOR. Còn sai số trong phép xác định hàm lượng cấu tử DEX < 3%.

Khảo sát, đánh giá độ tin cậy của phương pháp trên các hỗn hợp 3 cấu tử

Pha 1 dãy các dung dịch chứa ACE, LOR, DEX theo tỷ lệ nồng độ ACE: DEX: LOR lần lượt từ 1:1:1 đến 100:3:1. Thực hiện phép đo độ hấp thụ quang của các hỗn hợp trong khoảng bước sóng 210 - 285 nm. Từ kết quả đo quang tiến hành tính hàm lượng ACE, LOR, DEX theo chương trình lọc Kalman, kết quả được trình bày ở bảng 1.

Bảng 1. Kết quả tính nồng độ, sai số của ACE, LOR, DEX trong các hỗn hợp

Mẫu C0ACE C0

LOR C0DEX CACE CLOR CDEX RE%CACE RE% CLOR RE% CDEX

1 6,00 6,00 6,00 6,00 6,00 5,99 -0,08 0,03 -0,15

2 5,00 1,00 1,00 4,99 1,00 0,98 -0,10 0,31 -1,68

3 6,00 0,60 0,60 5,99 0,60 0,58 -0,09 0,68 -3,40

4 5,00 0,25 0,50 4,99 0,25 0,48 -0,10 1,18 -4,30

5 6,00 0,2 0,40 5,99 0,20 0,38 -0,10 0,84 -4,57

6 6,00 0,15 0,30 5,99 0,25 0,28 -0,09 67,96 -6,70

7 6,00 0,12 0,24 5,99 0,12 0,22 -0,09 2,10 -9,08

8 6,00 0,10 0,20 5,99 0,10 0,18 -0,09 2,61 -11,37

9 7,00 0,10 0,30 6,99 0,10 0,28 -0,07 2,66 -7,46

10 4,00 0,05 0,15 3,99 0,05 0,13 -0,14 6,66 -14,95

11 4,50 0,05 0,15 4,49 0,00 0,13 -0,13 -93,7 -14,31

12 5,00 0,05 0,15 4,99 0,05 0,13 -0,12 5,91 -14,49

Trong đó: C0ACE, C

0LOR, C

0DEX là nồng độ ACE, LOR , DEX pha chế (µg/ mL) đã biết; CACE, CLOR , CDEX là nồng ACE,

LOR , DEX tính toán được (µg/ mL); RE% CACE, RE% CLOR và RE% CDEX là sai số phép xác định hàm lượng ACE, LOR , DEX.

Đinh Thúy Vân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 121 - 125

129

Kết quả ở bảng 1 cho thấy khi hàm lượng ACE > LOR trên 40 lần và hàm lượng DEX>LOR trên 2 lần thì phương pháp lọc Kalman mắc sai số >10% trong phép xác định hàm lượng cấu tử LOR.

Khi hàm lượng DEX >LOR trên 2 lần và hàm lượng ACE >DEX trên 20 lần thì phương pháp lọc Kalman mắc sai số >5%, khi hàm lượng ACE >DEX trên 30 lần phương pháp lọc Kalman mắc sai số >10% trong phép xác định hàm lượng cấu tử DEX. Trong phép xác

định hàm lượng cấu tử ACE thì phương pháp lọc Kalman mắc sai số <1%.

Như vậy ta có thể xác định được ACE trong hỗn hợp tương đối chính xác vì ACE có hàm lượng lớn. Tuy nhiên không thể xác định được LOR và DEX trong hỗn hợp khi hàm lượng của LOR và DEX quá nhỏ. Do đó, để xác định hàm lượng ACE, LOR và DEX trong mẫu thuốc Hapacol - CF cần sử dụng phương pháp thêm chuẩn.

Bảng 2. Xác định nồng độ ACE, LOR, DEX trong các mẫu thuốc Hapacol-CF

TT C0ACE C0

LOR C0DEX CACE CLOR CDEX RE%CACE RE%C LOR RE%CDEX

1 6,0 0,06 0,18 6,28 0,00 0,40 0,46 -104,76 123,59

2 8,0 0,08 0,24 8,16 0,02 0,42 2,04 -71,01 75,82

3 10,0 0,1 0,3 10,05 0,05 0,43 0,49 -51,1 44,00

4 12,0 0,12 0,36 11,94 0,08 0,46 -0,53 -33,91 28,63

5 14,0 0,14 0,42 13,77 0,12 0,46 -1,63 -13,24 10,53

Trong đó: C0ACE, C

0LOR, C

0DEX là hàm lượng ACE, LOR, DEX trong các mẫu thuốc. CACE, CLOR , CDEX là hàm lượng

ACE, LOR, DEX xác định được trong các mẫu thuốc. RE% CACE, RE% CLOR và RE% CDEX là sai số phép xác định hàm lượng ACE, LOR , DEX.

Bảng 3. Kết quả xác định độ thu hồi ACE, LOR và DEX trong dung dịch mẫu Hapacol-CF

Mẫu CACE CLOR CDEX C[ACE] C[LOR] C[DEX] Rev%CACE Rev%CLOR Rev%CDEX

1 8,00 0,08 2,24 8,02 0,08 2,26 101,15

2 8,00 0,08 4,24 8,03 0,07 4,25 100,14

3 8,00 0,08 6,24 8,03 0,07 6,23 99,90

4 8,00 0,08 7,74 8,03 0,07 7,73 99,87

5 8,00 2,08 0,24 8,01 2,07 0,29 99,41

6 8,00 4,08 0,24 8,01 4,06 0,32 99,45

7 8,00 6,08 0,24 8,02 6,04 0,36 99,26

8 8,00 7,58 0,24 8,02 7,53 0,37 99,36

9 8,00 2,08 2,24 8,02 2,06 2,28 99,21 102,24

10 8,00 4,08 4,24 8,02 4,05 4,32 99,23 102,04

11 8,00 6,08 6,24 8,02 5,65 6,33 92,90 101,55

12 8,00 7,58 7,74 8,03 7,52 7,85 99,18 101,52

13 9,00 0,08 0,24 9,02 0,07 0,27 102,08

14 9,50 0,08 0,24 9,52 0,07 0,26 101,08

Trong đó: CACE, CLOR và CDEX (µg/ mL) là hàm lượng ACE, LOR và DEX trong thuốc Hapacol-CF sau khi thêm chuẩn.C[ACE], C[LOR] và C[DEX] (µg/ mL) là hàm lượng ACE, LOR và DEX xác định được sau khi thêm chuẩn.Rev(%) CACE, Rev(%) CLOR, Rev(%) CDEX là độ thu hồi của ACE, LOR và DEX.

Lê Ngọc Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 127 - 131

130

Xác định hàm lượng ACE, LOR và DEX trong mẫu thuốc Hapacol – CF.

Xử lý mẫu thuốc: Cân 10 viên thuốc Hapacol - CF, tính khối lượng trung bình mỗi viên được m=0,7874 g. Nghiền nhỏ thành bột mịn, lấy chính xác 0,0787g thuốc, cho vào bình định mức 100 mL, thêm dung dịch HCl 0,1 M, lắc kỹ cho tan hoàn toàn, định mức đến vạch, ta được 100 mL, đem lọc, lấy 10 mL dung dịch lọc pha loãng thành 100 mL ta được dung dịch gốc chứa hàm lượng tương đương ACE là 50 µg/ mL, LOR là 0,5 µg/ mL và DEX là 1,5 µg/ mL.

Lấy các thể tích dung dịch gốc pha loãng bằng HCl 0,1M cho đến khi dung dịch thuốc có tỷ lệ nồng độ lần lượt là ACE:LOR:DEX từ 6:0,06:0,18 đến 14:0,14:0,42. Đo độ hấp thụ quang của các hỗn hợp trong khoảng bước sóng 210 - 285nm và tính hàm lượng ACE, LOR, DEX theo chương trình lọc Kalman, kết quả được trình bày ở bảng 2.

Kết quả ở bảng 2 cho thấy trong phép xác định hàm lượng cấu tử LOR và DEX thì phương pháp lọc Kalman mắc sai số > 10%. Trong phép xác định hàm lượng cấu tử ACE thì phương pháp lọc Kalman mắc sai số < 3%. Xác định hàm lượng ACE, LOR và DEX trong mẫu thuốc Hapacol-CF theo phương pháp thêm chuẩn bằng cách thêm vào dung dịch gốc thuốc Hapacol - CF lượng chính xác chất chuẩn ACE, LOR, DEX. Đo độ hấp thụ quang ở bước sóng 210-285nm và tính hàm lượng cũng như độ thu hồi của phương pháp thêm chuẩn. Kết quả trình bày ở bảng 3. Kết quả ở bảng 3 cho thấy độ thu hồi của ACE từ 101,08% đến 102,08%, của LOR là từ 92,9% đến 99,45% và của DEX là từ 99,87% đến 102,24 %. Vì vậy có thể dùng phương pháp thêm chuẩn để tính hàm lượng của ACE, LOR và DEX trong mẫu thuốc Hapacol-CF.

KẾT LUẬN

Để xác định đồng thời ACE, LOR và DEX trong mẫu thuốc Hapacol – CF thì việc dùng phương pháp lọc Kalman sử dụng kết quả đo

độ hấp thu quang phân tử để xác định hàm lượng ACE, LOR và DEX khá đơn giản và cho kết quả tương đối chính xác. Nếu được áp dụng phương pháp này vào thực tế sẽ đạt hiệu quả cao trong việc kiểm định các loại hoạt chất trong cùng hỗn hợp, tiết kiệm được hóa chất, thời gian, khắc phục được những hạn chế về máy móc.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1]. Trần Tứ Hiếu, (2007) Phương pháp trắc quang phổ hấp thụ phân tử UV - VIS. Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia. [2]. Mai Xuân Trường, (2008) Nghiên cứu phương pháp hấp thụ quang phân tử xác định đồng thời các chất có phổ hấp thụ xen phủ nhau dựa trên thuật toán lọc Kalman, Luận án tiến sĩ hóa học, Trường ĐH Quốc Gia Hà Nội. [4]. Mai Xuân Trường, Vũ Thị Ánh Tuyết, Lê Đào Thục Anh, Lê Ngọc Anh, (2011) Khảo sát các điều kiện tối ưu cho phép đo quang paracetamol, dex tromethophan hydrobromit, loratadin, clopheninamin maleat, ibuprofen và cafein, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Thái Nguyên, số 04, Tập 80, , trang 163 – 166. [5]. Alsalim, W.; Fadel, M, Oral methionine compared with intravenous n-acetyl cysteine for paracetamol overdose, Emerg. Med. J. 2003. Vol. 20. pp. 366-367. Retrieved on August 17, 2007 [6]. Bertolini A, Ferrari A, Ottani A, Guerzoni S, Tacchi R, Leone S (2006), Paracetamol: new vistas of an old drug, CNS drug reviews 12 (3-4): Pp250-257. [7]. V. David, Iulia, Gabriela David and Dumitrescu, (2002) Analysis of eferalgan tablets by first-order derivative UV-spectrophotometry, anale Univ.Bucuresti.Chimie-11(2) -Pp1-2.

Dương Thị Tú Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 133 - 137

131

SUMMARY SIMULTANEOUS DETERMINATION OF ACETAMINOPHEN, LORATA DIN AND DEXTROMETHORPHAN HYDROBROMID IN HAPACOL - CF BY PECTROPHOTOMETRY

Le Ngoc Anh, Mai Xuan Truong*

College of Education – Thai Nguyen University

In this paper we publish the results of simultaneous determination of acetaminophen (ACE), loratadin (LOR) and dex tromethophan hydrobromit (DEX) in Hapacol-CF optical absorption spectrum measurement results of acetaminophen, loratadin and dex tromethophan hydrobromit overlap each other in wavelength of about 200-300nm. The Kalman filter method identified acetaminophen, loratadin and dex tromethophan hydrobromit in Hapacol-CF with high accuracy and level of acetaminophen recovered from 101.08% to 102.08%, loratadin recovered from 92,9% to 99,45% and dex tromethophan hydrobromit recovered from 99.87% to 102.24 %. Key words: Acetaminophen, loratadin , dex tromethorphan hydrobromit, Kalman filter.

Lê Ngọc Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 127 - 131

132

Dương Thị Tú Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 133 - 137

133

XÁC ĐỊNH ĐỒNG THỜI HÀM L ƯỢNG VẾT Cd II , PbII VÀ Cu II TRONG TRẦM TÍCH LƯU VỰC SÔNG CẦU - THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN

Dương Thị Tú Anh1, Cao Văn Hoàng2, Trần Thị Khánh Hòa1

1Trường Đại học Sư phạm- ĐH Thái Nguyên, 2Trường Đại học Quy Nhơn

TÓM TẮT Cadimi, chì và đồng là những chất gây ô nhiễm toàn cầu thường có trong các đối tượng nước tự nhiên, sinh vật học….Chúng sẽ trở nên độc hại khi hàm lượng của chúng trong hệ sinh thái vượt quá mức cho phép. Chúng có thể gây những ảnh hưởng và nguy hại đối với sức khỏe của loài người. Các dạng vô cơ của chúng có thể là các tác nhân gây ung thư. Phương pháp Von-ampe hòa tan anot xung vi phân sử dụng điện cực giọt thủy ngân treo đã được áp dụng để xác định đồng thời Cadimi, chì và đồng trong nhiều đối tượng phân tích khác nhau. Phương pháp Von-ampe hòa tan anot xung vi phân có độ chính xác cao và giới hạn phát hiện thấp, với những điều kiện thích hợp giới hạn phát hiện lần lượt là 0,275 ppb đối với Cadmi; 0,254 ppb đối với chì và 0,340 ppb đối với đồng. Phương pháp này đã được áp dụng thành công trong việc xác định đồng thời cadmi, chì và đồng trong một số mẫu trầm tích lưu vực sông Cầu khu vực thành phố Thái Nguyên cho kết quả có độ lặp lại tốt và sai số nhỏ nằm trong phạm vi cho phép. Trong các mẫu đã phân tích được cho thấy hàm lượng của chì đều lớn hơn. Từ khóa: Stripping volammetry, simultaneous, sidement, metal, DPASV

∗ MỞ ĐẦU

Chì (Pb) có trong tự nhiên dưới dạng khoáng sunfua galen, khoáng cacbonate-cerussite và sunfat anglessite. Nó có trong đất một lượng nhỏ, sự hòa tan của chì trong đất tăng lên do quá trình axít hóa trong đất chua. Chì được tích tụ trong cây trồng và do đó đối với cây lương thực, thực phẩm có thể dẫn đến sự độc hại do chì.

Ngày nay hiểm họa môi trường do sản phẩm sinh ra từ các động cơ đốt “ xăng chì” và nguồn nước thải công nghiệp đòi hỏi phải kiểm tra hàm lượng chì trong không khí, trong đất và trong nước.

Cadmi (Cd) là một trong rất ít nguyên tố không có ích lợi gì cho cơ thể con người. Nguyên tố này và các dung dịch, các hợp chất của nó là những chất cực độc thậm chí chỉ với nồng độ thấp, và chúng sẽ tích lũy sinh học trong cơ thể cũng như trong các hệ sinh thái. Một trong những lý do có khả năng nhất cho độc tính của chúng là chúng can thiệp vào các phản ứng của các enzime chứa kẽm. Cadimi cũng có thể can thiệp vào các

∗ Tel: 0988 760319, Email: haianhsptn@gmail.com

quá trình sinh học có chứa magiê và canxi theo cách thức tương tự.

Đồng (Cu) được xem là một nguyên tố dinh dưỡng đối với cây trồng, nó tham gia một số men polyphenol oxidaza, có ý nghĩa trong quá trình quang hợp và các quá trình đồng hóa của thực vật. Nhu cầu đồng của cây trồng rất rõ rệt, đa số cây trồng đều thiếu đồng ( bình quân trong thực vật khô chỉ có 10ppm Cu). Nhiều nước tiên tiến đã bón một lượng CuSO4 rất lớn, nhưng chưa thấy có hiện tượng độc hại cho cây. Nhiều tác giả [4,]; [7] cho rằng sự độc hại của đồng liên quan đến hàm lượng nhôm hòa tan. Đồng cũng là nguyên tố cần thiết cho sinh vật nhưng chỉ ở một mức độ nhất định, nếu ít hơn hoặc nhiều hơn lại có tác dụng ngược lại.

Chính vì vậy việc xác định Cd, Pb và Cu trong các đối tượng phân tích nói chung và trong trầm tích nói riêng là rất cần thiết.

Trong bài báo này, chúng tôi sẽ trình bày các kết quả nghiên cứu, áp dụng phương pháp von ampe hoà tan anốt xung vi phân (DPASV) dùng điện cực giọt thuỷ ngân treo ( HDME) để xác định đồng thời hàm lượng vết CdII, PbII và CuII trong một số mẫu trầm tích

Dương Thị Tú Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 133 - 137

134

lưu vực Sông cầu- khu vực Thành phố Thái Nguyên. Phương pháp von ampe hoà tan anốt xung vi phân là một trong những phương pháp có độ chính xác, độ chọn lọc và độ nhạy cao cho phép xác định đồng thời hàm lượng vết CdII, PbII và CuII trong nhiều đối tượng khác nhau [1-10].

THỰC NGHIỆM

Thiết bị và hoá chất

Các phép đo được thực hiện trên hệ thiết bị phân tích cực phổ VA 797 do hãng Metrohm (Switzerland) sản xuất, có hệ thống sục khí tự động với hệ 3 điện cực: Điện cực làm việc là điện cực giọt thuỷ ngân; điện cực so sánh: Ag/AgCl, KCl (3M) và điện cực phụ trợ: điện cực Platin. Các giá trị pH của các dung dịch được kiểm tra trên máy đo pH Metter Teledo MP220, Anh.

Tất cả các hoá chất được sử dụng trong quá trình nghiên cứu đều là hoá chất tinh khiết phân tích (PA) của Merck. Các dung dịch chuẩn CdII, PbII và CuII được pha chế hàng ngày từ các dung dịch chuẩn gốc nồng độ 1000mg/L của Merck bằng nước cất siêu sạch. Trước khi tiến hành phân tích điện cực và bình chứa mẫu được làm sạch bằng dung dịch HNO3 10% và tráng rửa nhiều lần bằng nước cất siêu sạch.

Các dụng cụ thuỷ tinh như: bình định mức, pipét... các chai thuỷ tinh, chai nhựa PE, chai lọ đựng hoá chất đều được ngâm, rửa sạch và sau đó tráng bằng nước cất siêu sạch trước khi dùng.

Lấy mẫu và bảo quản mẫu

Mẫu trầm tích được lấy tại hiện trường từ bề mặt đến độ sâu 20 cm. Lấy khoảng 1kg mẫu chuyển vào túi polyetylen và được bảo quản cẩn thận trong khi vận chuyển. Sau đó mẫu được tiền xử lý bằng cách phơi khô rồi nghiền nhỏ và sàng qua rây có đường kính lỗ 2mm để loại bỏ đá, sạn, rễ cây…, mẫu được rải đều thành lớp mỏng hình tròn trên tấm polyetylen sạch và chia nhỏ theo phương pháp ¼ hình nón đến khối lượng cần thiết để thu được mẫu đại diện cho phân tích.

Quy trình phân hủy mẫu trầm tích

Cân chính xác 1 gam mẫu cho vào bình Kjeldahl và lần lượt cho vào bình 3ml axit

nitric đậm đặc và 9ml axit clohydric đậm đặc rồi đun trên bếp điện cho đến khi mẫu bị phân hủy hết. Thêm nước cất siêu sạch để cô đuổi lượng axit còn dư. Mẫu sau khi được phân hủy hết để nguội và định mức bằng nước cất siêu sạch đến 100ml rồi tiến hành định lượng theo phương pháp Von-Ampe hòa tan anot xung vi phân.

Quy trình phân tích CdII , PbII và CuII

Quy trình này đã được chúng tôi nghiên cứu, xây dựng và đã được nêu ở bài báo [3]. Trong bài báo này chúng tôi áp dụng quy trình đã xây dựng được để xác định đồng thời hàm lượng vết CdII, PbII, và CuII trong một số mẫu trầm tích lưu vực Sông Cầu khu vực Thành phố Thái Nguyên.

Các mẫu trầm tích sau khi xử lý được định mức bằng nước cất siêu sạch tới thể tích nhất định. Sau đó lấy chính xác một thể tích dung dịch nghiên cứu và một thể tích nhất định dung dịch đệm axetat sao cho pH dung dịch bằng 4,7; nhúng hệ điện cực vào dung dịch cần đo. Sục khí với thời gian 90s rồi điện phân làm giàu ở -0,9V trong thời gian 60s, tốc độ quay cực là 2000 vòng /min. Sau khi kết thúc giai đoạn điện phân làm giàu, ngừng quay cực, để dung dịch yên tĩnh 15s, sau đó quét thế theo chiều dương từ -0,9V đến 0V bằng kỹ thuật xung vi phân để hoà tan các kim loại với biên độ xung bằng 50mV; bề rộng xung 40ms; thời gian bước nhảy thế bằng 0,2s; bước nhảy thế bằng 5mV; tốc độ quét thế bằng 25mV/s đồng thời ghi đường von -ampe hòa tan anot. Để xác định hàm lượng CdII, PbII, và CuII chúng tôi lựa chọn phương pháp thêm chuẩn.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Ảnh hưởng của thành phần và nồng độ axít đến quá trình xử lý mẫu

Quá trình phân hủy mẫu sinh học và môi trường theo phương pháp vô cơ hóa ướt đòi hỏi sử dụng các axít mạnh làm tác nhân phân hủy và oxi hóa mẫu. Do vậy phải lựa chọn thành phần và tỷ lệ các loại axít sao cho quá trình phân hủy mẫu triệt để nhưng không làm mất lượng ion kim loại cần phân tích có trong mẫu nghiên cứu.

Dương Thị Tú Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 133 - 137

135

Axít nitric đặc có tính oxi hóa mạnh nhưng có nhiệt độ sôi thấp 1210C nên nếu chỉ sử dụng axít này để vô cơ hóa mẫu thì mẫu sẽ không bị phân hủy triệt để. Khi axít nitric kết hợp với axít clohydric, nó tạo thành nước cường toan, do vậy người ta thường sử dụng hỗn hợp này để phân hủy mẫu [7]. Quá trình và kết quả khảo sát ảnh hưởng của thành phần và nồng độ axít đến quá trình xử lý mẫu đã được chúng tôi trình bày trong tài liệu [1].

Các kết quả khảo sát cho thấy khi sử dụng hỗn hợp hai axít HNO3 và HCl đậm đặc với tỷ lệ HNO3 : HCl là 3:9 thì hiệu suất thu hồi tốt nhất, đạt 98,2; 97,6 và 97% đối với Cd;Pb

và Cu với thời gian phân hủy chỉ cần 2h. Chính vì vậy chúng tôi sử dụng hỗn hợp hai axít với tỷ lệ và thành phần HNO3 : HCl là 3:9 để phân hủy mẫu trong quá trình nghiên cứu.

Kết quả phân tích một số mẫu trầm tích

Trên cơ sở các điều kiện tối ưu cũng như quy trình phân tích chung cho phép xác định đồng thời CdII, PbII, và CuII đối với các đối tượng phân tích khác nhau đã được chúng tôi nghiên cứu, chọn lựa và đã nêu trong bài báo [1,3].Trong bài báo này chúng tôi tiến hành áp dụng phân tích với một số mẫu trầm tích lưu vực sông Cầu khu vực thành phố Thái Nguyên.

Bảng 1. Vị trí lấy mẫu và thời gian lấy mẫu

TT Kí hi ệu mẫu Vị trí l ấy mẫu Đợt

lấy mẫu Thời gian lấy mẫu

1 TTSC-1 Phía trên cổng xả nhà máy giấy Hoàng Văn Thụ 1

29/10/2010

2 TTSC-2 Phía dưới cổng xả nhà máy giấy Hoàng Văn Thụ 29/10/2010

3 TTSC-3 Khu Bến Tượng 29/10/2010

1 TTSC-1 Phía trên cổng xả nhà máy giấy Hoàng Văn Thụ 2

28/11/2010

2 TTSC-2 Phía dưới cổng xả nhà máy giấy Hoàng Văn Thụ 28/11/2010

3 TTSC-3 Khu Bến Tượng 28/11/2010

1 TTSC-1 Phía trên cổng xả nhà máy giấy Hoàng Văn Thụ 3

31/12/2010

2 TTSC-2 Phía dưới cổng xả nhà máy giấy Hoàng Văn Thụ 31/12/2010

3 TTSC-3 Khu Bến Tượng 31/12/2010

1 TTSC-1 Phía trên cổng xả nhà máy giấy Hoàng Văn Thụ 4

04/03/2011

2 TTSC-2 Phía dưới cổng xả nhà máy giấy Hoàng Văn Thụ 04/03/2011

3 TTSC-3 Khu Bến Tượng 04/03/2011

Bảng 2. Hàm lượng CdII, PbII và CuII trong một số mẫu trầm tích lưu vực sông Cầu

Mẫu Đợt Hàm lượng trung bình (µg/g)

Cd RSD (%) Pb RSD (%) Cu RSD (%)

TTSC-1

1 1,861± 0,03 1,61 68,087±1,514 2,22 10,039±0,26 2,57

2 1,885±0,03 1,59 65,344±0,377 0,58 13,464±0,29 2,12

3 1,784±0,31 7,29 66,437±1,197 1,80 9,112±0,71 7,79

4 1,750±0,12 6,86 60,821±1,064 1,75 8,690±0,50 5,80

TTSC-2

1 2,285± 0,10 4,38 102,800±1,160 1,13 14,100±0,22 1,59

2 2,495±0,13 5,21 91,976±2,786 3,03 15,082±0,28 1,87

3 2,467±0,12 4,86 96,803±2,543 2,63 10,651±0,94 8,86

4 1,963±0,15 7,64 90,563±1,886 2,08 8,599±0,49 5,70

TTSC-3

1 3,141±0,24 7,64 87,544±1,279 1,46 11,607±0,30 2,62

2 2,937±0,07 2,38 87,159±1,321 1,51 12,147±1,65 3,69

3 3,845±0,29 7,54 102,903±0,839 8,15 13,756±1,85 4,75

4 2,423±0,34 5,77 87,482±0,719 8,21 11,159±0,87 7,81

Dương Thị Tú Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 133 - 137

136

Hình 1. Đồ thị biểu diễn hàm lượng CdII, PbII và CuII tại các vị trí lấy mẫu:

A) TTSC-1; B) TTSC-2; C) TTSC-3

Các mẫu phân tích được lấy trên 3 địa điểm và trong 4 đợt khác nhau. Mẫu, vị trí và thời gian lấy mẫu được thể hiện ở bảng. Số lần lặp lại là 3 đến 5 lần đối với mỗi mẫu phân tích. Sau khi xử lý thống kê các số liệu thực nghiệm, kết quả phân tích được chỉ ra trên bảng 2 và hình 1. Qua các kết quả phân tích được, chúng tôi nhận thấy:

Nhìn chung, trong các mẫu phân tích PbII đều chiếm tỉ lệ lớn nhất, nằm trong khoảng từ 86-93% so với tổng hàm lượng của 3 ion kim loại trong mẫu. Trong khi đó kim loại CdII lại chiếm tỉ lệ rất thấp chỉ khoảng 0,3-0,5%, còn hàm lượng CuII chiếm khoảng 6,3-13%.

Ở cùng vị trí lấy mẫu, trong những khoảng thời gian khác nhau thì hàm lượng của CdII, PbII và CuII dao động không nhiều. Trong cả 3 vị trí tại TTSC-2 và TTSC-3 hàm lượng các kim loại có sự dao động nhiều hơn so với TTSC-1. Trong khi hàm lượng PbII trong TTSC-2 ở lần lấy mẫu thứ nhất là lớn nhất thì trong TTSC-3 hàm lượng PbII ở lần lấy mẫu thứ ba lại là lớn nhất. Như vậy, trong những khoảng thời gian khác nhau, hàm lượng các kim loại khác nhau không đáng kể, có thể do khoảng cách thời gian giữa các lần lấy mẫu cách nhau không nhiều, nên sự sa lắng, vận động địa hóa của các tầng nước và trầm tích mặt cũng chưa có sự thay đổi lớn.

Ở những vị trí lấy mẫu khác nhau thì sự khác nhau về hàm lượng kim loại khá rõ rệt, điều này có thể là do: Tại vị trí TTSC-1, đây là khu vực phía trên cổng xả của nhà máy giấy Hoàng Văn Thụ, do đó nguồn nước thải tại vị trí này chủ yếu là nước thải sinh hoạt nên hàm

lượng các kim loại nhỏ hơn so với vị trí sau cửa xả. Tại vị trí TTSC-2 vị trí này ở phía dưới cổng xả của nhà máy giấy Hoàng Văn Thụ, nơi này tiếp nhận trực tiếp nguồn nước thải công nghiệp của nhà máy giấy có chứa nhiều chất ô nhiễm vô cơ nên hàm lượng kim loại nặng là rất lớn. Còn với vị trí TTSC-3 nơi này nhận nguồn nước thải sinh hoạt của khu dân cư đô thị khu Bến Tượng, những nơi này dân cư đông đúc, lại có sự phát triển của các hoạt động dịch vụ từ đó lượng nước thải ra môi trường lớn vì vậy hàm lượng kim loại là khá lớn.

KẾT LUẬN

- Áp dụng các điều kiện tối ưu cho phép xác định đồng thời hàm lượng vết CdII, PbII, và CuII đã khảo sát và đã được nêu ra ở tài liệu [1,3], áp dụng quy trình phân tích đã xây dựng được vào việc phân tích một số mẫu trầm tích lưu vực sông Cầu, khu vực thành phố Thái Nguyên cho kết quả có độ lặp lại tốt và sai số nhỏ nằm trong phạm vi cho phép.

- Đã áp dụng quy trình phân tích xây dựng được vào việc xác định đồng thời hàm lượng của CdII, PbII, và CuII vào phân tích một số mẫu trầm tích lưu vực sông Cầu thành phố Thái Nguyên ở các vị trí khác nhau và ở những thời điểm khác nhau. Kết quả phân tích được bước đầu góp phần giải thích sự có mặt của các kim loại nặng trong trầm tích, đồng thời cũng liên quan tới sự có mặt của chúng trong nguồn nước sông Cầu, từ đó có thể có những biện pháp sử dụng và bảo vệ nguồn nước một cách hợp lí và có hiệu quả.

Dương Thị Tú Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 133 - 137

137

TÀI LI ỆU THAM KHẢO [1]. Dương Thị Tú Anh, Mai Xuân Trường, (2010), “Xác định đồng thời hàm lượng vết Cd (II), Pb (II) và Cu (II) trong một số mẫu đất khu vực thành phố thái nguyên bằng phương pháp von -ampe hòa tan anốt” Tạp chí Khoa học và công nghệ - Đại học Thái nguyên - Tập 65, số 3, năm 2010, trang 105 - 109. [2]. Lê Huy Bá( 2009), “Nghiên cứu, xây dựng một số chỉ tiêu độc chất kim loại nặng (Pb, Cd, As, Hg) trong môi trường đất đối với cây trồng nông nghiệp” , Tuyển tập các công trình nghiên cứu Khoa học – Trường Đại học Công nghiệp TP. HCM. [3]- Trịnh Xuân Giản, Dương Thị Tú Anh (2009), “Nghiên cứu, xác định đồng thời hàm lượng vết Cd (II), Pb (II) và Cu (II) trong một số mẫu nước khu vực Thành phố Thái Nguyên bằng phương pháp von -ampe hòa tan anốt” , Tạp chí Khoa học và công nghệ - Đại học Thái nguyên, số1(49)- trang: 42-46. [4]. Viện Thổ nhưỡng nông hóa (1998), Sổ tay phân tích Đất – Nước phân bón và cây trồng, Nhà xuất bản nông nghiệp. [5]. Paulo J. S, Melson R. S(1997), Simultaneous determination of trace amounts of zinc, lead and

copper in rum by anodic stripping volammetry, Talanta, 44, pp: 185-188. [6]. Eric P. Achterberg, Chalotter Braungardt (1999), “ Stripping voltammetry for the determination of trace metal distribution in marine water”, Analytical Chimica Acta,vol 400, pp:381-397. [7]. Rafael Pardo, Enrique Barrado, Lourdes Perez and Marisol Vega (1990), “Determination and speciation of heavy metals in sediments of the pisuerga river”, Water Research, 24(3), pp. 373-379. [8]. G. Rauret, R. rubio, J. F. Lopez -Sanchez and E. Casassas (1988), “Determination and speciation of copper and lead in sediments of a mediterranean river (river tenes, catalonia, spain), War Res, 22(4), pp. 449-455. [9]. Van Staden J. F., Matoetoe M. C, (2000), “Simultaneous determination of coppre, lead, cadmium and zinc using differential pulse anodic stripping volammetry in a flow system”, Analytical Chimica Acta,vol.411, No 1-2, pp: 201-207. [10]. Zhifeng Yang, YingWang, Zhenyao Shen, Junfeng Niu, Zhenwu Tang(2009), Distribution and speciation of heavy metals in sediments from the mainstream, tributaries, and lakes of the Yangtze River catchment ofWuhan, China, Journal of Hazardous Materials, 166, pp. 1186–1194.

SUMMARY SIMULTANEOUS DETERMINATION OF TRACE AMOUNTS OF CADMIUM, LEAD AND COPPER IN SIDEMENT SAMPLES THE CAU RIVER VALLEY OF THAINGUYEN CITY

Duong Thi Tu Anh1∗, Cao Van Hoang2, Tran Thi Khanh Hoa1

College of Education- TNU, Quy Nhon University

Cadmium, lead and copper are three global contaminant and in natural water, biology… They become toxic if excessive quantities and prose potential thread to ecosystem. They can have direct and serious impact on human health, owing to the carcinogenic properties of its inorganic form. The differential pulse anodic stripping volammetry (DPASV) using hanging mercury drop electrode was applied for simultaneous determination of cadmium, lead and copper in various analyzed objects. Under suitable condition, the differential pulse anodic stripping volammetry has high recovery and low detection limit (0,275 ppb for Cadmium, 0,154 ppb for Lead and 0,240 ppb for copper). The method has been sucessfuly applied for the simultaneous determination of CdII, PbII and CuII in sidement samples the Cau River valley of Thai Nguyen City area with have satisfactory repeats results and low error in permitting limit . Almost all samples analyzed had the concentrations more than of lead. Key words: Stripping volammetry, simultaneous, sidement, metal, DPASV.

∗ Tel: 0988 760319, Email: haianhsptn@gmail.com

Dương Thị Tú Anh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 133 - 137

138

Lê Hữu Thiềng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 139 - 142

139

NGHIÊN CỨU SỰ TẠO PHỨC CỦA SAMARI V ỚI L-GLYXIN

Lê Hữu Thiềng1*, Nguyễn Trọng Uyển2, Nguyễn Thị Lan Anh1

1Trường Đại học Sư phạm – ĐHTN, 2Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG Hà Nội

TÓM TẮT Thành phần và độ bền của phức chất giữa nguyên tố đất hiếm samari và L-glyxin đã được nghiên cứu bằng phương pháp chuẩn độ đo pH ở nhiệt độ 26 ± 0,50C, lực ion bằng 0,1( dùng dung dịch KClO4 1N để điều chỉnh lực ion). Phức chất tạo thành có thành phần là SmGly2+, sự tạo phức xảy ra tốt ở pH từ 6÷ 8. Đã xác định được hằng số bền bậc 1 của phức chất tạo thành. Phức chất cũng được tách ra ở dạng rắn. Phức rắn có công thức Sm(HGly)2(ClO4)3.8H2O. Cấu trúc của phức chất được xác định bằng các phương pháp phân tích nhiệt và quang phổ hấp thụ hồng ngoại.Ở phức rắn, L-glyxin là phối tử hai răng liên kết với ion Sm3+ qua nguyên tử nitơ của nhóm amin và oxi của nhóm cacboxyl và sự có mặt của ion picrat. Từ khoá: Phức chất, nguyên tố đất hiếm, samari, amino axit, L-glyxin.

∗ MỞ ĐẦU

Nghiên cứu sự tạo phức của các nguyên tố đất hiếm (NTĐH) với các amino axit vừa có ý nghĩa về mặt lý thuyết và thực tiễn[3][6]. Trong các bài báo trước, chúng tôi đã nghiên cứu sự tạo phức của một số nguyên tố đất hiếm (La, Pr, Nd, Eu, Gd) với L-tyrosin trong dung dịch bằng phương pháp chuẩn độ đo pH [1]; Nghiên cứu hoạt tính sinh học phức chất của lantan với L-glutamin và L-lơxin[2]. Trong bài báo này, chúng tôi thông báo kết quả sự tạo phức của samari với L-glyxin.

THỰC NGHIỆM.

Hoá chất và thiết bị

- Dung dịch Sm(ClO4)3 được chuẩn bị từ Sm2O3 của hãng Wako(Nhật Bản), độ tinh khiết 99,99%.

- L-glyxin (HGly) của hãng Merck.

- Các hoá chất khác dùng trong quá trình thực nghiệm có độ tinh khiết PA.

- Máy đo pH meter MD-220 (Anh)

- Máy khuấy từ LE-302 (Hunggari)

- Máy phân tích nguyên tố Analytik Jena AG, Customen Service, konrad-zuse-st.1,07745 Jena (Đức)

∗ Tel: 0982 859002

Nghiên cứu sự tạo phức của samari với

L-glyxin trong dung dịch bằng phương pháp chuẩn độ đo pH.

Chuẩn độ dung dịch L-glyxin trong môi trường axit bằng dung dịch KOH 5.10-2M trong điều kiện không và có mặt ion Sm3+ lấy theo tỉ lệ mol Sm3+ : H2Gly+ là 1:2 với nồng độ Sm3+ bằng 10-3M, lực ion trong các thí nghiệm là 0,1 (dùng dung dịch KClO4 1N để điều chỉnh lực ion). Kết quả chuẩn độ được chỉ ra ở hình 1.

Tổng hợp phức chất của samari với L-glyxin.

Hoà tan riêng rẽ Sm(ClO4)3 trong etanol,

L-glyxin trong nước, trộn lẫn với nhau theo tỉ lệ mol Sm3+ : HGly = 1:2. Sau đó khuấy đều trên máy khuấy từ cho đến khi tạo thành kết tủa (phức chất). Lọc, rửa phức chất thu được bằng axeton và bảo quản trong bình hút ẩm chứa CaCl2 [4].

Xác định thành phần của phức chất

Hàm lượng samari được xác định bằng cách nung một lượng xác định phức chất ở nhiệt độ 9000C trong 1 giờ, ở nhiệt độ này phức chất bị phân huỷ và chuyển về dạng Sm2O3. Hoà tan oxit này bằng HClO4 loãng, đun trên bếp cách thuỷ để đuổi hết axit dư, định mức rồi chuẩn độ ion Sm3+ bằng dung dịch DTPA, chỉ thị asenazo(III), pH = 4,2.

Lê Hữu Thiềng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 139 - 142

140

Hàm lượng nitơ và cacbon xác định trên máy phân tích nguyên tố tự động 07745 Jena (Đức).

KẾT QUẢ THẢO LUẬN.

Kết quả nghiên cứu phức chất trong dung dịch

L- glyxin trong môi trường axit phân li theo phương trình

H2Gly+ = H+ + HGly ; K1

HGly = H+ + Gly- ; K2

Với K1, K2 là hằng số phân li bậc 1 và bậc 2 của L-glyxin. Từ hình 1 nhận thấy đường cong chuẩn độ dung dịch L-glyxin (đường 1) có 2 miền đệm rõ rệt nằm cách xa nhau. Giá trị K1 được tính theo miền đệm thứ nhất (a<1), giá trị K2 được tính theo miền đệm thứ hai (a>1). (a là số đương lượng KOH kết hợp với một mol H2Gly+). Kết quả tính toán thu được: pK1=2,305; pK2=9,416. Kết quả thu được phù hợp với [5], chứng tỏ thiết bị thí nghiệm đủ độ tin cậy.

Hình 1. Đường cong chuẩn độ H2Gly+ và hệ Sm3+

: H2Gly+=1:2 ở 26± 0,50C; I=0,1.

Đường 1: H2Gly2+ Đường 2: Sm3+ : H2Gly2+ = 1 :2.

Từ hình 1, nhìn thấy đường cong chuẩn độ trung hoà L-glyxin khi có mặt Sm3+ trong môi trường axit (đường 2), khi a>1 (pH=6÷ 8) thấp hẳn xuống. Điều này chứng tỏ có sự tạo phức dẫn đến giải phóng ion H+. Vì vậy, chúng tôi giả thiết sự tạo phức trong dung dịch xảy ra theo sơ đồ:

Sm3+ + Gly- = SmGly2+ ; k1

SmGly2+ + Gly- = Sm(Gly)2+ ; k2

Với k1, k2 là hằng số bền bậc 1 và bậc 2 của phức chất. Để xác định hằng số bền của phức tạo thành, chúng tôi sử dụng phương pháp Bjerrum, phương pháp tính toán tương tự tài liệu[1]. Khi a>1,4 nhận thấy xuất hiện kết tủa samari hiđroxit nên chỉ xác định được hằng số bền bậc 1 của phức chất. Kết quả thu được

lgk1 = 5,263

Kết quả nghiên cứu phức rắn

Hình 2: Giản đồ DTA và TGA của phức chất

Bảng 1: Hàm lượng (%) của Sm, C, N trong phức chất

Công thức giả thiết Sm C N

LT TN LT TN LT TN

Sm(HGly)2

(ClO4)3 .8H2O 20,24 19,62 6,46 6,32 3,91 3,78

LT : Lý thuyết ; TN : Thực nghiệm.

Bảng 2. Kết quả phân tích giản đồ nhiệt của phức chất

Công thức giả thiết Nhiệt độ của các

hiệu ứng(0C) Độ giảm khối lượng (%)

LT TN Dự đoán cấu tử tách ra

Sản phẩm cuối

Sm(Gly)2(ClO4)3.8H2O 61,75 19,40 19,696 8H2O

Sm2O3 275,65 - 60,004 -

Lê Hữu Thiềng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 139 - 142

141

Kết quả bảng 1 cho thấy hàm lượng samari, cacbon, nitơ xác định bằng thực nghiệm tương đối phù hợp với công thức giả thiết của phức chất.

Ở công thức giả thiết của phức chất, hàm lượng nước xác định bằng thực nghiệm theo phương pháp phân tích nhiệt ở phần sau.

Nghiên cứu phức chất bằng phương pháp phân tích nhiệt

Giản đồ phân tích nhiệt của phức chất được ghi tại Khoa Hoá học, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội trong không khí, tốc độ gia nhiệt 100C/phút ở 30-9000C. Kết quả được trình bày ở hình 2, bảng 2.

Hình 3: Phổ hấp thụ hồng ngoại của L-glyxin

Trên giản đồ DTA có một hiệu ứng thu nhiệt tại 61,750C, chứng tỏ phức chất thu được có chứa nước, nhiệt độ tách nước 61,750C thuộc khoảng nhiệt độ tách nước kết tinh của các hợp chất, từ đó chúng tôi kết luận nước có trong phức chất là nước kết tinh. Ngoài ra còn có hiệu ứng toả nhiệt tại 275,65 tương ứng với các thành phần tiếp theo của phức chất tách ra hoặc phân huỷ.

Tính toán độ giảm khối lượng trên giản đồ TGA, ở hiệu ứng thu nhiệt, xấp xỉ 8 phân tử nước tách ra. Khi nhiệt độ lớn hơn 8000C, độ

giảm khối lượng không đáng kể, dự đoán đã hình thành Sm2O3

Nghiên cứu phức chất bằng phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại

Phổ hấp thụ hồng ngoại của L-glyxin và phức

chất được ghi tại Vi ện Hoá học, thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, trong vùng tần số từ 400-600 cm-1, kết quả được chỉ ra ở hình 3,4 và bảng 3.

Hình 4: Phổ hấp thụ hồng ngoại của phức chất

Từ các hình 3, 4 nhận thấy phổ hấp thụ hồng ngoại của phức chất khác phối tử tự do về hình dạng cũng như dải hấp thụ, chứng tỏ có sự tạo phức xảy ra giữa ion Sm3+ và L-glyxin.

Trên dải hấp thu hồng ngoại của L-glyxin , dải hấp thụ ở 3107,79 cm-1 được gán cho dao

động của nhóm NH ( NHν ), các dải hấp thụ ở 1578,51 cm-1 và 1393,96cm-1 được gán cho dao động hoá trị bất đối xứng và đối xứng của

nhóm COO- (tương ứng -OCO

asν và -OCO

sν ) [4].

Trên phổ hồng ngoại của phức chất, giá trị NHν chuyển về vùng tần số cao hơn NHν =

3257,68 cm-1, chứng tỏ nhóm NH của L-glyxin đã phối trí với ion Sm3+ .

Bảng 3: Các tần số hấp thụ đặc trưng (cm-1) của L-glyxin và phức chất

Hợp chất −OHν

NHν -OCO

asν -OCO

sν

L-glyxin - 3107,79 1578,51 1393,96

Phức chất 3550,33 3257,68 1598,46 1410,66

Lê Hữu Thiềng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 139 - 142

142

Các dải hấp thụ: -OCO

asν = 1578,51 cm-1, -OCO

sν = 1393,96cm-1 trên phổ của L-glyxin

đã chuyển dịch lên các vùng tần số tương

ứng là -OCO

asν =1598,46 cm-1, -OCO

sν =

1410,66cm-1 , chứng tỏ nhóm cacboxyl của L-glyxin cũng đã phối trí với ion Sm3+. Sự

chênh lệch giữa các giá trị -OCO

asν và -OCO

sν trong phức chất bằng 187,80cm-1

cho thấy khi phối trí với ion Sm3+ nhóm cacboxyl của L-glyxin chiếm một vị trí phối trí trong phức chất.

Ngoài ra trên phổ hồng ngoại của phức chất còn có giải hấp thụ ở 3550,33 cm-1 ứng với dao động hoá trị của nhóm OH- trong phân tử nước, chứng tỏ phức chất thu được có chứa nước, điều này phù hợp với kết quả nghiên cứu phức chất bằng phương pháp phân tích nhiệt đã trình bày ở trên.

KẾT LUẬN

1. Đã nghiên cứu sự tạo phức của Sm3+ với

L-glyxin ở 26± 0,50C. Trong dung dịch phức có thành phần là SmGly2+ . Sự tạo phức xảy ra tốt ở pH =6÷ 8, logarit hằng số bền bậc một của phức chất là lgK1 = 5,263

2. Đã tổng hợp được phức rắn của samari với

L-glyxin theo tỉ lệ 1: 2 về số mol.Bằng các phương pháp phân tích hoá học, hoá lý và vật

lý cho kết luận phức chất có thành phần là Sm(HGly)2(ClO4)3.8H2O

Mỗi phân tử HGly chiếm hai vị trí phối trí, liên kết với Sm3+ qua nguyên tử nitơ của nhóm amin qua nguyên tử oxi của nhóm cacboxyl.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1]. Lê Hữu Thiềng, Nông Thị Hường (2010), “Nghiên cứu sự tạo phức của một số nguyên tố đất hiếm (La, Pr, Nd, Eu, Gd) với L-tyrosin trong dung dịch bằng phương pháp chuẩn độ đo pH”. Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Thái Nguyên. Tập 67, số 05,tr 47-50. [2]. Lê Hữu Thiềng, Vũ Thị Ngọc Thuỷ, Nguyễn Thị Thu Huyền (2011), “Nghiên cứu hoạt tính sinh học phức chất của lantan với L-glutamin và L-lơxin”. Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Thái Nguyên. Tập 83, số 07,tr 3-8. [3]. T.S. Martins, J.R. Matos, G.Vicentini and P.C. Isolani (2006), Synthesis, Characterization, Spectroscopy and thermal analysis of rare earth picrate complexes with L-leucine. Journal of thermal Analysis and calorimetry, vol, 86,2.P351-357. [4]. T.S.Martins, A.A.S Araújo, M.P.B.M Araújo, P.C Isolani, G.Vicentini (2002), “Synthesi, tcharacterization and thermal analysis of lanthanide picrate complexes with glycine”, Joural of Alloy and compouds 344.P.75 -79. [5]. P.H. Brown et al (1990), Rare earth elements biological system book on the physics and chemistry or rare earth.vol. 13, P.432 – 450. [6]. Hao Xu, Liang Chen (2003), Study on the complex site of L-tyrosine with rare earth element Eu3+. Spectrochimica Acta Part A 59. P 657 – 662.

SUMMARY STUDY ON THE COMPLEX OF FOMATION BETWEEN SAMARIUM AND L-GLYCINE

Le Huu Thieng1∗, Nguyen Trong Uyen2, Nguyen Thi Lan Anh1

1College of Education - TNU, 2College of Natural Science – VNU

The composition and Stability complex between samarium and L-glycine have been studied by pH-meter titrantion method at the temperature of 26± 0,50C and ionic strenght of 0,1 (KClO4) solution. It has been shown that complex SmGly2+ exist in the solution at pH from 6÷ 8. The first satability constand of this complex has been ealculated. This complex has been isolated on solid state. The complex has the formuls Sm(Gly)2(ClO4)3.8H2O. This complex reveal that L-glycine acts as a neutral bidentate ligan towards Sm3+ ion at the presence of picrate ion with utilizing amino nitrogen and carboxyloxygen for bonding. Key words: Complex, rare earth element, samarium, aminoacid, L-glycine.

∗ Tel: 0982 859002

Nguyễn Thị Hiền Lan và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 143 - 147

143

TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CH ẤT PHỨC CHẤT ISOBUTYRAT CỦA MỘT SỐ KIM LO ẠI CHUY ỂN TIẾP

Nguyễn Thị Hiền Lan*, Tr ịnh Thị Thủy

Trường Đại học Sư phạm – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT

Một số phức chất isobutyrat kim loại chuyển tiếp M(Isb)2 (M = Cu, Zn, Co, Ni; Isb: Isobutyrat) đã được tổng hợp. Các phức chất được nghiên cứu bằng phương pháp phân tích nguyên tố, phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại, phương pháp phân tích nhiệt và phương pháp phổ khối lượng. Các kết quả đạt được chỉ ra rằng các phức chất đều tồn tại ở dạng oligome, quá trình phân hủy nhiệt của các phức chất được giả thiết như sau:

M1(Isb)2 → − C0309205 M1O (M1: Co, Ni)

M2(Isb)2 → − C0371211 Thăng hoa và phân hủy (M2: Cu, Zn) Từ khóa: kim loại chuyển tiếp, isobutyrat, phức chất.

∗MỞ ĐẦU

Các cacboxylat kim loại được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: tách, phân tích, làm giàu và làm sạch nguyên tố, là chất xúc tác trong tổng hợp hữu cơ, chế tạo vật liệu mới như: vật liệu từ, vật liệu siêu dẫn, vật liệu phát huỳnh quang [1, 2, 3]. Với mục đích góp phần nghiên cứu vào lĩnh vực cacboxylat kim loại, chúng tôi đã tiến hành tổng hợp, nghiên cứu tính chất một số isobutyrat kim loại chuyển tiếp.

THỰC NGHIỆM

Tổng hợp các isobutyrat kim loại [4]

Cho một lượng cacbonat kim loại ứng với 0,003 mol ion kim loại và 0,06 mol (6,6 ml) axit isobutyric (HIsb) vào bình cầu chịu nhiệt đáy tròn. Đun hồi lưu khoảng 2-3 giờ cho đến khi thu được dung dịch trong suốt và có màng mỏng trên bề mặt, để nguội tinh thể phức chất từ từ tách ra. Lọc rửa kết tủa bằng axetylaxeton và bảo quản các sản phẩm trong bình hút ẩm đến khối lượng không đổi. Hiệu suất đạt 80-85 %. Sản phẩm có mầu đặc trưng của ion kim loại và có công thức là M(Isb)2 (M = Cu, Zn, Co, Ni; Isb: Isobutyrat)

Các phương pháp nghiên cứu

Hàm lượng kim loại trong các phức chất được xác định bằng phương pháp chuẩn độ complexon với chất chỉ thị murexit ở pH = 8 [5].

∗ Tel: 0915 526483, Email: nltuan08@gmail.com

Phổ hấp thụ hồng ngoại được ghi trên máy Impact 410 – Nicolet, Mỹ. Mẫu được chế tạo bằng cách ép viên với KBr.

Giản đồ phân tích nhiệt được ghi trên máy DTG 60 Shimadzu (Nhật) trong môi trường khí argon. Nhiệt độ được nâng từ nhiệt độ phòng đến 7000C với tốc độ đốt nóng 100C/phút.

Phổ khối lượng được ghi trên máy LC-MSD-Trap-SL. Nguồn ion: ESI-mod. Nhiệt độ khí làm khô 3250C. Áp suất khí phun: 30 psi.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Bảng 1. Kết quả phân tích hàm lượng ion kim loại

trong các phức chất

TT

Công thức giả định của các

phức chất

Hàm lượng ion kim loại trong các phức chất

Lý thuy ết Thực nghiệm

1 Cu(Isb)2 26,89 26,65

2 Zn(Isb)2 27,19 27,08

3 Co(Isb)2 25,32 25,22

4 Ni(Isb)2 25,00 25,07

Kết quả phân tích nguyên tố, phổ hấp thụ hồng ngoại, phân tích nhiệt và phổ khối lượng của các phức chất được đưa ra ở các bảng 1, 2, 3 và 4 tương ứng. Hình 1 và 2 là phổ hồng ngoại của Cu(Isb)2 và Ni(Isb)2, hình 3 và 4 là giản đồ phân tích nhiệt của Cu(Isb)2 và Ni(Isb)2, hình 5 và 6 là phổ khối lượng của Cu(Isb)2 và Ni(Isb)2. Các kết quả ở bảng 1

Nguyễn Thị Hiền Lan và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 143 - 147

144

cho thấy hàm lượng kim loại trong các phức chất xác định bằng thực nghiệm tương đối phù hợp với công thức giả định.

Việc quy kết dải hấp thụ trong phổ hồng ngoại của các sản phẩm dựa trên việc so sánh phổ của các phức chất với phổ của axit HIsb tự do. Trong phổ hấp thụ hồng ngoại của HIsb, dải OC=ν có tần số thấp (1709 cm-1) chứng tỏ HIsb tồn tại ở dạng dime do tạo thành liên kết hiđro [6]. Các dải ở vùng 2991 cm-1 thuộc về dao động hóa trị của nhóm –CH3.

Bảng 2. Các dải hấp thụ đặc trưng trong phổ hấp thụ hồng ngoại của các hợp chất ( ν, cm-1)

TT Hợp chất )(COν )( 3CHν )(OHν

1 HIsb 1709 2991 -

2 Cu(Isb)2 1585 2974 -

3 Zn(Isb)2 1539 2972 -

4 Co(Isb)2 1565 2979 -

5 Ni(Isb)2 1584 2983 -

Trong phổ hấp thụ hồng ngoại của các phức chất, xuất hiện dải hấp thụ có cường độ mạnh ở vùng 1539-1585 cm-1, dải này được quy cho dao động hóa trị bất đối xứng của nhóm C=O. So với phổ của HIsb, chúng dịch chuyển về vùng có số sóng thấp hơn, chứng tỏ trong các hợp chất này đã tạo thành liên kết kim loại – phối tử qua nguyên tử oxi của nhóm –COO- làm cho liên kết C=O trong phức chất bị yếu đi. Ở vùng 3000-3500 cm-1 không xuất hiện dải hấp thụ rộng đặc trưng cho sự có mặt của nhóm -OH trong phân tử nước, chứng tỏ các phức chất tồn tại ở trạng thái khan, không chứa nước.

Hình 1. Phổ hồng ngoại của Cu(Isb)2

Hình 2. Phổ hồng ngoại của Ni(Isb)2

Giản đồ phân tích nhiệt của các phức chất isobutyrat kim loại không xuất hiện hiệu ứng nhiệt và hiệu ứng mất khối lượng ở dưới 2050C, chứng tỏ trong thành phần của các phức chất này không có nước. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với dữ liệu của phổ hấp thụ hồng ngoại. Các hiệu ứng thu nhiệt và tỏa nhiệt còn lại trong giản đồ phân tích nhiệt của isobutyrat của Co(II) và Ni(II) ứng với quá trình phân hủy và cháy các phức chất tạo ra sản phẩm cuối cùng là các oxit. Đối với 2 phức chất isobutyrat của Cu(II) và Zn(II), phần trăm mất khối lượng của 2 phức chất này (87,38 ÷ 94,40 %) lớn hơn nhiều nếu phức chất phân hủy thành oxit (72,80 ÷ 73,10 %), điều này dẫn đến giả thiết rằng 2 phức chất này xảy ra đồng thời 2 quá trình: thăng hoa và phân hủy.

Bảng 3 cho thấy phần trăm mất khối lượng tính theo lý thuyết phù hợp với kết quả thực nghiệm. Từ đó có thể giả thiết sơ đồ phân hủy nhiệt của các phức chất như sau:

M1(Isb)2 → − C0309205 M1O (M1: Co, Ni)

M2(Isb)2 → − C0371211 Thăng hoa và phân hủy (M2: Cu, Zn)

Hình 3. Giản đồ phân tích nhiệt của Cu(Isb)2

Nguyễn Thị Hiền Lan và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 143 - 147

145

Bảng 3. Các hiệu ứng nhiệt và phần trăm mất khối lượng của các phức chất

TT Phức chất Nhiệt độ (0C)

Hiệu ứng nhiệt Cấu tử tách Phần còn

lại

% mất khối lượng

Lý thuyết

Thực nghiệm

1 Cu(Isb)2 295 Thu nhiệt Thăng hoa và phân hủy 87,38

2 Zn(Isb)2 211÷262 Thu nhiệt

Thăng hoa và phân hủy 94,40 371 Tỏa nhiệt

3 Co(Isb)2 205÷232 Thu nhiệt Phân hủy và

cháy CoO 74,67 73,02

297÷308 Tỏa nhiệt

4 Ni(Isb)2 233÷359 Tỏa nhiệt

Phân hủy và cháy

NiO 75,01 72,49

Hình 4. Giản đồ phân tích nhiệt của Ni(Isb)2

Hình 5. Phổ khối lượng của Cu(Isb)2

Giả thiết về các mảnh ion được tạo ra trong quá trình bắn phá dựa trên quy luật chung về quá trình phân mảnh của các cacboxylat đất hiếm [7]. Trên phổ +MS1 của các phức chất đều xuất hiện pic có m/z lớn hơn khối lượng phân tử giả định của phức chất tương ứng. Như vậy, các phức chất đều bị oligome hóa ở điều kiện ghi phổ.

Kết quả ở bảng 4 cho thấy trong pha hơi, các oligome gồm chủ yếu là các dime và monome. Trên phổ +MS1 của cả 4 phức chất isobutyrat kim loại đều xuất hiện pic có tần suất lớn nhất thuộc về các ion monome: [CuCOC + H+]+, [ZnIsb(COO-) - 4H+]+, [CoIsb(COO) - 3H+]+ và [NiIsb(COO) - 3H+]+. Điều này hứa hẹn khả năng thăng hoa tương đối tốt của các isobutyrat kim loại này.

Hình 6. Phổ khối lượng của Ni(Isb)2

Trong pha hơi của đồng isobutyrat gồm chủ yếu là các ion monome: [CuOIsb - 3H+]+, [CuIsb - O]+, [CuCOC + H+]+ bên cạnh một lượng nhỏ các ion dime: [Cu2Isb4 - 4H+]+, [Cu2Isb3 -2H+]+. Tương tự như phức chất đồng isobutyrat, trong pha hơi của niken isobutyrat gồm chủ yếu là các dạng ion monome: [NiIsb2-5H+]+, [NiIsb(COO)- 3H+]+, [NiIsb(COO) - 3H+]+. Bên cạnh đó, thành phần pha hơi của kẽm isobutyrat và coban isobutyrat lại tương tự nhau, trừ các pic đặc trưng cho sự có mặt của các ion monome có tần suất lớn nhất, các pic còn lại đặc trưng cho sự có mặt của các ion monome và dime xuất hiện với tần suất tương đương nhau.

Nguyễn Thị Hiền Lan và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 143 - 147

146

Kết quả thu được chứng tỏ mức độ oligome hóa của các phức chất isobutyrat kim loại là tương đối thấp, thành phần pha hơi của các isobutyrat kim loại nhìn chung là tương tự nhau.

KẾT LUẬN

1. Đã tổng hợp được các phức bậc hai M(Isb)2 (M = Cu, Zn, Co, Ni; Isb: Isobutyrat).

2. Đã nghiên cứu các sản phẩm thu được bằng phương pháp phổ hồng ngoại. Kết quả cho thấy HIsb đã tham gia phối trí với các ion kim

loại qua oxi của nhóm –COO-, các isobutyrat kim loại đều tồn tại ở trạng thái khan.

3. Đã nghiên cứu các phức chất thu được bằng phương pháp phân tích nhiệt và đã đưa ra sơ đồ phân hủy nhiệt của các phức chất.

4. Đã nghiên cứu các phức chất bằng phương pháp phổ khối lượng, kết quả cho thấy các isobutyrat kim loại đều có khuynh hướng oligome hóa ở điều kiện ghi phổ, tuy nhiên mức độ oligome hóa là tương đối thấp.

Bảng 4. Các mảnh ion giả thiết trong phổ khối lượng(+MS1) của các phức chất

TT Phức chất m/z Mảnh ion Tần suất (%)

1 Cu(Isb)2

(M = 238)

417 [Cu2Isb4 - 4H+]+ 7,5

387 [Cu2Isb3 - 2H+]+ 15

175 [Cu(CO)Isb - 5H+]+ 14

164 [CuOIsb - 3H+]+ 23

146 [CuIsb - 5H+]+ 28

135 [CuIsb - O]+ 73

104 [CuCOC + H+]+ 100

2 Zn(Isb)2

(M = 239)

431 [Zn2Isb3COO - 4H+]+ 30

390 [Zn2Isb3 + H+]+ 26,5

349 [Zn2Isb2COO + H+]+ 23

235 [ZnIsb2 - 4H+]+ 20

192 [ZnIsb(COO-) - 4H+]+ 100

150 [ZnIsb - 2H+]+ 40

137 [ZnIsb - CH3]+ 66

3 Co(Isb)2

(M = 233)

419 [Co2Isb3(COC) ]+ 24

322 [Co2Isb2(CO) + 2H+]+ 34

293 [Co2Isb2 + H+]+ 26,5

187 [CoIsb(COO) - 3H+]+ 100

146 [CoIsb]+ 35

116 [Co(CHCOO)]+ 50

101 [Co(COO)]+ 48

4 Ni(Isb)2

(M = 232)

344 [Ni2Isb2 (COO)]+ 15

322 [Ni2Isb2 (CO) + 4H+]+ 16

227 [NiIsb2 - 5H+]+ 20

186 [NiIsb(COO) - 3H+]+ 100

133 [Ni(Isb-O) + 2H+]+ 22

101 [Ni(COO)]+ 40

Nguyễn Thị Hiền Lan và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 143 - 147

147

TÀI LI ỆU THAM KHẢO [1]. A. Fernandes, J. Jaud, J. Dexpert-Ghys, C. Brouca-Cabarrecq, (2003), ''Study of new lanthannide complexes of 2,6-pyridinedicarboxylate: synthesis, crystal structure of Ln(Hdipic)(dipic) with Ln = Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb, luminescence properties of Eu(Hdipic)(dipic)'', Polyhedron, Vol. 20, pp. 2385-2391. [2]. Guo-Jian Duan, Ying Yang, Tong-Huan Liu, Ya-Ping Gao, (2008) ''Synthesis, characterization of the luminescent lanthanide complexes with (Z)-4-(4- metoxyphenoxy)-4-oxobut-2-enoic acid'', Spectrochimica Acta Part A, Vol. 69, pp. 427-431. [3]. Paula C. R. Soares-Santos, Filipe A. Almeida Paz, et. al., (2006), ''Coordination mode of pyridine-carboxylic acid derivatives in samarium (III) complexes'', Polyhedron, Vol. 25, pp. 2471-2482.

[4]. Tu A. Zoan, Nataliya P. Kuzmina et. al. (1995) “Synthesis, structure and properties of volatile lanthanide pivalates”, Journal of Alloys and Compounds. Vol. 225, p. 396-399. [5]. Charlot G. Metođư analischitreskoi khimii. (1969) Vol.II, p. 953-954, Izd-vo “Khimia”. [6]. Paul R.C, Singh G., Ghotra T. S. (1973) “Carboxylates of praseodymium (III), neodymium (III) and samarium (III)’’. Ind.J.Chem, vol 11, p. 2194,. [7]. Kotova O. V., Eliseeva S. V., Lobodin V. V., Lebedev A. T., Kuzmina N. P. (2008), ''Direct laser desorption/ionization mass spectrometry characterization of some aromantic lathanide carboxylates", Journal of Alloys and Compound, Vol. 451, pp. 410-413.

SUMMARY PREPARATION AND RESEARCH ON CHARACTERIZATION OF THE ISOBUTYRATE COMPLEXES OF SOME TRANSITIONAL METALS

Nguyen Thi Hien Lan∗, Trinh Thi Thuy

College of Education - TNU

The isobutyrates of Cu(II), Zn(II), Co(II), Ni(II) have been prepared. The synthesized complexes were studied by IR, thermal analysis and mass-spectroscopy methods. The obtained results show that the complexes of transitional metals isobutyrate exists in polynuclear form.The thermal separation of the isobutyrates is supposed as follows:

M1(Isb)2 → − C0309205 M1O (M1: Co, Ni)

M2(Isb)2 → − C0371211 evaporate and separate (M2: Cu, Zn)

Key words: transitional metals, isobutyrate , complexes.

∗ Tel: 0915 526483, Email: nltuan08@gmail.com

Nguyễn Thị Hiền Lan và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 143 - 147

148

Đỗ Thị Lan và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 149 - 152

149

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG THẤM NƯỚC CỦA ĐẤT RỪNG TẠI XÃ BỘC NHIÊU – HUYỆN ĐỊNH HÓA – TỈNH THÁI NGUYÊN

Đỗ Thị Lan*, Đoàn Trường Sơn, Nguyễn Thị Thủy

Trường Đại học Nông lâm – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT Diện tích rừng của huyện Định Hoá có xu hướng giảm mạnh. Điều này đã gây ảnh hưởng lớn đến hệ sinh thái và môi trường trong khu vực. Cụ thể năm 2008 vừa qua trên địa bàn huyện Định Hoá đã xảy ra các trận lũ rừng lớn gây thiệt hại trầm trọng về con người và tài sản của người dân nghèo nơi đây. Mất rừng là nguyên nhân của việc suy giảm khả năng giữ nước tức thời và lâu dài, việc nghiên cứu về khả năng thấm nước của đất tại các loại rừng khác nhau nhằm đánh giá khả năng giữ nước của các kiểu rừng với dự báo lũ rừng rất cần thiết hiện nay. Do vậy đề tài tiến hành nghiên cứu khả năng thấm nước của đất rừng tại xã Bộc Nhiêu, huyện Định Hóa, tỉnh Thái Nguyên. Sau thời gian tiến hành nghiên cứu, kết quả thu được như sau: Tốc độ thấm nước ban đầu của đất rừng trồng keo dao động từ 7,37 mm/phút - 6,43 mm/ phút và của đất trống dao động từ 2,74 mm/phút - 3,24 mm/phút. Tốc độ thấm nước ổn định của đất rừng trồng keo dao động từ 0,88mm/phút - 1,92 mm/phút và của đất trống dao động từ 0,19 mm/phút - 0,28mm/phút. Tốc độ thấm nước tỷ lệ thuận với độ xốp của đất và tỷ lệ nghịch với độ ẩm đất. Từ khóa: khả năng thấm nước, tính thấm, đất rừng.

∗ ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong những năm qua, việc quản lý và sử dụng bền vững đất canh tác đặc biệt là vùng đất dốc chưa được quan tâm đúng mức và vẫn đang là bài toán làm đau đầu các nhà quản lý. Hàng trăm hecta rừng bị tàn phá hàng năm làm cho diện tích đất trống đồi núi trọc ngày càng tăng hoặc thay vào đó là những diện tích rừng trồng kém chất lượng, khả năng bảo vệ đất thấp.

Diện tích rừng ở huyện Định Hoá có xu hướng giảm mạnh. Hậu quả là năm 2008 vừa qua ở huyện Định Hoá đã xảy ra các trận lũ rừng lớn gây thiệt hại lớn về tài sản cũng như tính mạng của người dân nghèo nơi đây. Việc nghiên cứu về khả năng thấm nước của đất rừng để nhằm hạn chế xói mòn và dự báo lũ rừng rất cần thiết hiện nay.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Bố trí thí nghiệm

Đề tài nghiên cứu sẽ lập 6 ô thí nghiệm (Ô TN) phân bố ở khu vực nghiên cứu đất rừng trồng là 3 Ô TN và khu vực đất trống 3 Ô TN. Ô TN ở khu vực đất trống là mẫu so sánh với

∗ Tel: 0983640105

Ô TN của đất rừng trồng về khả năng thấm nước ở hai trạng thái thảm thực vật rừng khác nhau.

Phương pháp đo đạc lấy mẫu ngoài thực địa và phân tích trong phòng thí nghiệm

Mẫu đất được lấy tại 6 điểm phân bố theo các ô thí nghiệm. Độ sâu lấy mẫu đất lần lượt là: 0-20 cm và 20- 40 cm. Mẫu đất sau khi được lấy được cho ngay vào dụng cụ riêng biệt để bảo quản và hong khô, phân tích.

Nội dung phân tích đất

Xác định tính chất vật lý đất

Đề tài sẽ nghiên cứu độ ẩm, dung trọng, tỷ trọng và độ xốp của đất. Mẫu đất được lấy bằng ống dung trọng để xác định đồng thời các chỉ tiêu trên. Mỗi vị trí đo thấm lấy một mẫu đất (trước khi đo thấm, gần điểm đo thấm) bằng ống dung trọng (kích thước: cao 10 cm, đường kính trong 5 cm).

Nghiên cứu đặc trưng thấm nước của đất

Tốc độ thấm nước của đất được xác định bằng phương pháp sử dụng ống vòng khuyên. Tại mỗi ô thí nghiệm đặt một cặp ống lồng vào nhau ở vị trí điển hình, đường kính bên trong ống nhỏ là 20 cm, đường kính bên trong ống to là 30 cm, chiều cao các ống là 35 cm. Các ống

Đỗ Thị Lan và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 149 - 152

150

được vạch ở phía trong. Tại vị trí nghiên cứu khả năng thấm, đóng vòng sắt sâu xuống 20 cm. Dùng bình đong nước tưới nước từ từ vào trong vòng khuyên, luôn giữ một lớp nước đầy 5 cm phía trên tầng đất mặt.

Sau thời gian 1 phút tiếp tục đổ nước vào trong vòng khuyên, căn cứ vào lượng nước khởi đầu và sau khi tiếp nước trong ống đong để xác định nước đã thấm.

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

Đặc trưng thấm nước của đất rừng được biểu hiện qua tốc độ thâm nhập của nước vào đất qua bề mặt đất.

Tốc độ thấm nước ban đầu

Tốc độ thấm nước ban đầu (V0, mm/ phút) là một chỉ tiêu quan trọng phản ánh đặc trưng thấm nước của đất rừng. Căn cứ vào kết quả nghiên cứu thực tế, tốc độ thấm nước khởi đầu được tính là giá trị trung bình của 5 V0 đầu tiên (tốc độ thấm trung bình trong 5 phút đầu).

Bảng 1. Tốc độ thấm nước ban đầu bình quân ở

địa điểm nghiên cứu

Ô TN Tr ạng thái rừng

Tốc độ thấm nước ban đầu (V0 , mm/phút)

1 Rừng trồng keo 7,26

2 Rừng trồng keo 7,37

3 Rừng trồng keo 6,43

4 Đất trống 2,74

5 Đất trống 3,24

6 Đất trống 2,94

Ghi chú: Thời gian đo tốc độ thấm nước ban đầu là 5 phút

Đề tài nghiên cứu tại 2 trạng thái thảm thực vật là: đất rừng trồng keo và đất trống. Tại mỗi trạng thái thảm thực vật, đề tài đã xác

định tốc độ thấm nước ban đầu tại 3 vị trí khác nhau. Kết quả được tổng hợp tại bảng 1.

Nhận xét: Tốc độ thấm nước ban đầu của đất rừng trồng keo dao động từ 7,37 mm/phút - 6,43 mm/ phút. Tốc độ thấm nước ban đầu của đất trống dao động từ 2,74 mm/phút - 3,24 mm/phút. Như vậy tốc độ thấm nước ban đầu của đất rừng trồng keo cao gấp hơn 2 lần so với tốc độ thấm nước của khu vực đất trống.

Tốc độ thấm nước ổn định

Tốc độ thấm nước ổn định của đất (Vc, mm/phút) là tốc độ thấm khi đất được cung cấp đủ nước và tầng đất mặt đã bão hòa nước. Khi đất đạt đến tốc độ thấm ổn định và tốc độ thấm nhỏ hơn cường độ mưa, dòng chảy bề mặt sẽ được tạo ra cùng với việc cuốn trôi vật chất xói mòn. Qua bảng số liệu trên ta thấy tốc độ thấm nước ổn định và thời gian thấm của khu vực đất trống thấp hơn so với tốc độ thấm nước và thời gian thấm ổn định ở trạng thái đất rừng trồng (0,88mm/phút - 1,92 mm/phút). Qua đó ta cũng thể thấy thảm thực vật đóng vai quan trọng ảnh hưởng đến khả năng thấm nước của đất rừng.

Ảnh hưởng của một số nhân tố đến khả năng thấm nước của đất rừng

Từ bảng 3, ta xây dựng được phương trình tương quan biểu thị mối quan hệ của tốc độ thấm nước ổn định (Vc mm/phút) với độ xốp đất (X%) và độ ẩm đất (A%), sử dụng hàm dạng tuyến tính.

Mối tương quan giữa tốc độ thấm ổn định và độ xốp đất

Kết quả phương trình tương quan biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ thấm nước ổn định (Vc , mm/phút) với độ xốp của đất(X%) như sau:

Vc = -9,28 + 0,19 X% Với R2 = 0,92 Bảng 2. Tốc độ và thời gian thấm nước ổn định của đất

Ô TN Tr ạng thái rừng Tốc độ thấm nước ổn định Vc (mm/phút)

Thời gian đạt đến Vc (phút)

1 Rừng trồng keo 1,13 50

2 Rừng trồng keo 1,92 50

3 Rừng trồng keo 0,88 45

4 Đất trống 0,28 30

5 Đất trống 0,19 25

6 Đất trống 0,22 30

Đỗ Thị Lan và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 149 - 152

151

Bảng 3. Tốc độ thấm nước ổn định và một số nhân tố ảnh hưởng

Ô TN Tr ạng thái rừng Vc

(mm/phút)

Độ xốp

(X%)

Độ ẩm

(A%)

1 Rừng trồng keo 1,13 53,42 23,75

2 Rừng trồng keo 1,92 56,28 21,63

3 Rừng trồng keo 0,88 53,99 21,11

4 Đất trống 0,28 48,86 24,56

5 Đất trống 0,19 48,68 23,71

6 Đất trống 0,22 48,46 22,43

Dựa vào bảng số liệu 3 và phương trình tương quan của Vc - X% , ta có thể thấy:

Hình 2. Biểu đồ thể hiện mối tương quan giữa

Vc và X%

- Rừng trồng Vc = -9,28 + 0,19 X%, với X% = 56,28% thì Vc = 1,41 mm/phút

- Đất trống Vc = -9,28 + 0,19 X%, với X% = 48,86% thì Vc = 0,003 mm/phút

Như vậy độ xốp của đất rừng trồng lớn hơn ở đất trống vì vậy mà tốc độ thấm nước ở khu vực đất rừng trồng cao hơn ở đất trống. Qua phương trình tương quan của Vc - X% ta thấy tốc độ thấm nước tỷ lệ thuận với độ xốp đất nghĩa là Đất càng tơi xốp thì tốc độ thấm nước của đất càng cao và ngược lại.

Mối tương quan giữa tốc độ thấm ổn định và độ ẩm đất

Phương trình tương quan biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ thấm nước ổn định (Vc , mm/phút) với độ ẩm của đất(A%) như sau:

Vc = 6,70 - 0,26 A% với R2 = 0,26

Nhận xét: Dựa vào bảng số liệu 3 và phương trình tương quan của Vc - A% , ta có thể thấy:

- Với A% = 24,56% thì Vc = 0,31mm/phút

- Với A%= 21,11% thì Vc = 1,21 mm/phút

Hình 3. Biểu đồ thể hiện mối tương quan giữa

Vc và A%

Tốc độ thấm nước tỷ lệ nghịch với độ ẩm ban đầu của đất, độ ẩm càng cao thì tốc độ thấm nước càng nhỏ. Vì độ chặt (R2 = 0,26) của tương quan thấp do vậy đây là yếu tố thứ yếu so với độ xốp của đất.

Quá trình thấm nước của đất rừng

Đề tài sử dụng phương pháp thực nghiệm quá trình thấm nước bằng ống vòng khuyên trên trạng thái đất rừng trồng keo và đất trống. Sau thời gian 60 phút tiến hành cho thấm nước qua ống vòng khuyên thu được kết quả được thể hiện ở bảng 4.

Nhận xét: Đất rừng trồng keo có lượng nước thấm dao động từ 141,02 - 213,93 mm trong khi đó đất trống chỉ có lượng nước thấm dao động từ 47,64 - 48,54 mm. Từ đó có thể thấy đất rừng trồng keo có khả năng thấm nước tốt hơn nhiều lần so với đất trống.

Đỗ Thị Lan và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 149 - 152

152

Bảng 4. Tổng lượng nước thấm thực tế

Ô TN Tr ạng thái rừng Tốc độ thấm

nước ban đầu (V0 , mm/phút)

Tốc độ thấm nước ổn định Vc (mm/phút)

Tổng lượng nước thấm đo thực tế (mm)

1 Rừng trồng keo 7,26 1,13 152,59

2 Rừng trồng keo 7,37 1,92 213,93

3 Rừng trồng keo 6,43 0,88 141,02

4 Đất trống 2,74 0,28 48,54

5 Đất trống 3,24 0,19 48,51

6 Đất trống 2,94 0,22 47,64

KẾT LUẬN

Tốc độ thấm nước ban đầu: Tốc độ thấm nước ban đầu của đất rừng trồng keo dao động từ 7,37 mm/phút - 6,43 mm/ phút. Tốc độ thấm nước ban đầu của đất trống dao động từ 2,74 mm/phút - 3,24 mm/phút. Tốc độ thấm nước ban đầu của đất trừng trồng keo cao hơn so với tốc độ thấm nước của khu vực đất trống.

Tốc độ thấm nước ổn định: Tốc độ thấm nước ổn định và thời gian thấm của khu vực đất trống thấp hơn so với tốc độ thấm nước và thời gian thấm ổn định ở trạng thái đất rừng trồng (0,88mm/phút - 1,92 mm/phút).

Tương quan giữa tốc độ thấm nước và các nhân tố ảnh hưởng: Phương trình tương quan biểu thị mối quan hệ của tốc độ thấm nước ổn định (Vc mm/phút) với độ xốp đất (X%) và độ

ẩm đất (A%). Tốc độ thấm nước tỷ lệ thuận với độ xốp của đất(X%) và tỷ lệ nghịch với độ ẩm đất (A%).

TÀI LI ỆU THAM KHẢO [1]. Đỗ Thị Lan, Nguyễn Tuấn Anh và Hoàng Tiến Hà (2010): Ứng dụng hệ thống thông tin địa lý và mô hình hoá trong nghiên cứu xói mòn đất huyện Sơn Động, Bắc Giang, Tạp chí NN&PTNN11-2010, T162-166. [2]. Nguyễn Thị Thúy Hường (2009), “Nghiên cứu khả năng thấm nước của đất tại một số mô hình sử dụng đất khác nhau ở huyện Lương Sơn tỉnh Hòa Bình”, Luận văn thạc sỹ khoa học lâm nghiệp, Trường Đại học Lâm nghiệp. [3]. Đỗ Thị Lan, Đỗ Thị Bắc (2005), “Thực trạng và những giải pháp chủ yếu nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng đất dốc xã Địa Linh, huyện Ba Bể, Bắc Kạn”. Tạp chí khoa học đất số 22, 2005. [4]. Vũ Thị Quỳnh Nga (2009), “Nghiên cứu đặc trưng thấm và giữ nước tiềm tàng của đất rừng tại Núi Luốt, Xuân Mai, Hà Nội” . Luận văn thạc sỹ khoa học Lâm nghiệp, Trường Đại học Lâm nghiệp.

SUMMARY STUDY OF WATER PERMEABILITY OF FOREST LAND IN BOC N HIEU COMMUNE - DINH HOA DISTRICT – THAI NGUYEN PROVINCE

Do Thi Lan∗, Doan Truong Son, Nguyen Thi Thuy Thai Nguyen University of Agriculture and Forestry

The forest area in Dinh Hoa district tends to decrease over time. Consequently, in 2008 in Dinh Hoa district recently took place the great flood forests serious damage to property as well as the lives of poor people here. The study of water absorption capacity of forest land to reduce erosion and forest flood forecasting is essential today. Thus subjects studied water permeability of forest land in Boc Nhieu commune, Dinh Hoa district, Thai Nguyen province. After the period studied, the results are as follows: initial water absorption rate of Acacia plantation land ranges from 7,37 mm/min – 6,43 mm/min and the vacant land ranging from 2,74 mm /min – 3,24 mm/min. Waterproof speed stability of the Acacia forests range from 0,88mm/min – 1,92 mm/min and the vacant land ranging from 0,19mm / min – 0,28 mm/min. Soil water infiltration speed proportional to the porosity of the soil and is inversely proportional to soil moisture. Key words: water permeability, permeability, forest land.

∗ Tel: 0983640105

Đỗ Thị Tuyến và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 153 - 158

153

HOẠT TÍNH KHÁNG SINH C ỦA XẠ KHUẨN TRONG ĐẤT TẠI CÁC KHU V ỰC CÓ HOẠT ĐỘNG KHAI THÁC KHOÁNG S ẢN

Đỗ Thị Tuyến, Lương Thị Hương Giang, Đào Thị Hằng

Nguyễn Thị Hương Liên, Vi Thị Đoan Chính*

Trường Đại học Khoa học – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT

Từ 40 mẫu đất thu ở các địa điểm khác nhau tại các khu vực đang chịu ảnh hưởng của hoạt động khai thác khoáng sản của tỉnh Thái Nguyên, đã phân lập được 162 chủng xạ khuẩn thuộc chi Streptomyces. Qua kiểm tra hoạt tính kháng sinh (HTKS) của các chủng xạ khuẩn phân lập được, có 82 chủng (chiếm 50,62%) có hoạt tính kháng các vi sinh vật (VSV) kiểm định. Trong số đó, số chủng có hoạt tính kháng vi khuẩn Gram (+) là cao nhất – có 61 chủng (chiếm 74,39%), có 58 chủng (chiếm 70,73%) có hoạt tính kháng nấm và thấp nhất là số chủng có hoạt tính kháng vi khuẩn Gram (-) chỉ có 37 chủng (chiếm 45,12%). Đặc biệt, có 31 chủng (chiếm 37,8%) có hoạt tính với cả 2 nhóm vi khuẩn Gram (+) và Gram (-), có 20 chủng (chiếm 24,39%) có hoạt tính với cả 3 nhóm vi khuẩn Gram (+), vi khuẩn Gram (-) và nấm mốc. Với mục đích tuyển chọn được các chủng có hoạt tính kháng nấm, chúng tôi đã lựa chọn ra 5 chủng có hoạt tính mạnh nhất để tiếp tục nghiên cứu là TC13.1, TC13.2, TC12.1, HT17.8 và HT17.9. Từ khóa: chất kháng sinh, chủng, khuẩn ty, hoạt tính kháng sinh, xạ khuẩn.

∗ ĐẶT VẤN ĐỀ

Chất kháng sinh (CKS) ngày nay đã và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Ngoài mục đích y học, CKS còn được sử dụng trong chăn nuôi, thú y và đặc biệt là trong công tác bảo vệ thực vật để giảm dần việc sử dụng các loại thuốc hóa học. Song, việc sử dụng CKS càng rộng rãi bao nhiêu thì nguy cơ làm xuất hiện của các vi sinh vật kháng thuốc lại càng tăng lên bấy nhiêu. Điều này khiến cho các CKS thường dùng không còn tác dụng nữa. Chính vì vậy, những nghiên cứu để tìm kiếm phát hiện ra các CKS mới từ tự nhiên luôn là một yêu cầu cấp thiết và có ý nghĩa thiết thực. Trong số các đối tượng để tìm kiếm CKS thì xạ khuẩn là đối tượng luôn được chú ý nhiều nhất vì có tới 70% số chủng xạ khuẩn có khả năng sinh CKS.

Thái Nguyên là một tỉnh rất giàu tiềm năng về nông, lâm nghiệp nên có hệ VSV khá phong phú. Đồng thời, Thái Nguyên cũng nằm trong

∗ Tel: 0987 123606, Email: vichinh57@gmail.com

vùng sinh khoáng, có nhiều loại hình khoáng sản phân bố tập trung. Các hoạt động khai thác khoáng sản đã có những tác động đáng kể đến môi trường đất, nước và qua đó, rất có thể sẽ ảnh hưởng đến hệ VSV đất ở những khu vực này mà hiện vẫn chưa được nghiên cứu. Trong bài báo này, chúng tôi thông báo một số kết quả bước đầu khảo sát và đánh giá hoạt tính sinh học của nhóm xạ khuẩn ở trong đất tại các khu vực đang chịu ảnh hưởng của hoạt động khai thác khoáng sản trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên.

NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nguyên liệu

- 40 mẫu đất lấy từ các địa điểm khác nhau ở 2 khu vực núi Pháo, Hà Thượng, Đại Từ và Mỏ sắt Trại Cau, Đồng Hỷ thuộc tỉnh Thái Nguyên. Đây là những khu vực đã và đang có các hoạt động khai thác khoáng sản nhiều năm.

- 7 chủng VSV kiểm định: Escherichia coli VTCC-B-883, Pseudomonas aeruginosa VTCC-B-481, Bacillus subtilis VTCC-B-888,

Đỗ Thị Tuyến và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 153 - 158

154

Fusarium oxysporum VTCCF-1301, Aspergillus niger VTCCF-001, Fusarium solani VTCCF-1302 do Viện Bảo tàng giống chuẩn vi sinh vật cung cấp; Staphylococcus aureus ATCC 25923 do Viện Kiểm Nghiệm – Bộ Y tế cung cấp.

- Các môi trường: Gause I để phân lập và nuôi cấy xạ khuẩn; môi trường MPA và PDA để nuôi các chủng VSV kiểm định.

Phương pháp nghiên cứu

- Thu mẫu đất, xác định pH của đất và phân lập xạ khuẩn [2].

- Xác định màu sắc của hệ khuẩn ty [5].

- Xác định hoạt tính kháng sinh (HTKS) theo phương pháp thỏi thạch để sơ tuyển xạ khuẩn và phương pháp đục lỗ để sàng lọc xạ khuẩn.

- Xạ khuẩn được lên men trên máy lắc tròn 220 vòng/ phút, thời gian lên men 120 giờ ở 28oC.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Hoạt tính kháng sinh của xạ khuẩn

Từ 40 mẫu đất lấy từ các địa điểm khác nhau tại các khu vực đang chịu ảnh hưởng của hoạt động khai khoáng ở tỉnh Thái Nguyên, chúng tôi đã phân lập và thuần khiết được 162 chủng xạ khuẩn thuộc chi Streptomyces. Số lượng và sự phân bố của xạ khuẩn được trình bày trên bảng 1.

Kết quả bảng 1 cho thấy số lượng xạ khuẩn trong các mẫu đất là khá phong phú và phụ thuộc nhiều vào đặc điểm, tính chất của từng loại đất. Số lượng xạ khuẩn gặp nhiều nhất ở các loại đất trồng màu (12,07 x 106 CFU/g) và đất vườn (10 x 106 CFU/g). Kết quả này hoàn toàn phù hợp với đặc điểm sinh học của xạ khuẩn và đặc điểm canh tác đất tại những khu vực lấy mẫu. Xạ khuẩn thường phân bố nhiều ở các loại đất tơi xốp, thoáng khí, giàu chất hữu cơ, có pH trung tính và độ ẩm thích hợp.

Bảng 1. Số lượng và sự phân bố xạ khuẩn trong đất

Loại đất

lấy mẫu Số lượng mẫu

pH

của đất Số lượng XK/g

(CFU/g) Số chủng XK

phân lập

Đất trồng chè 7 4,12 1.7 x 106 11

Đất trồng keo 9 5,53 5,3 x 106 26

Đất trồng màu 7 7,22 12,07 x 106 44

Đất trồng lúa 5 6,70 4,2 x 106 11

Đất vườn 5 7,30 10 x 106 55

Đất đồi trọc 7 4,15 3,6 x 106 15

Tổng cộng 40 162

Bảng 2. Số lượng và tỷ lệ các chủng xạ khuẩn có HTKS phân theo nhóm màu

TT XK phân

theo nhóm màu

XK phân lập được XK có HTKS Tỷ lệ XK có HTKS

so với tổng số chủng phân lập được (%) Số lượng Tỷ lệ (%) Số lượng Tỷ lệ (%)

1 Xám 83 51,23 38 46,34 23,46

2 Trắng 39 24,07 22 26,83 13,58

3 Xanh 13 8,02 4 4,88 2,47

4 Nâu 12 7,41 6 7,32 3,70

5 Hồng 9 5,56 7 8,54 4,32

6 Tím 4 2,47 3 3,66 1,85

7 Vàng 2 1,23 2 2,44 1,23

Tổng 162 100 82 100 50,62

Đỗ Thị Tuyến và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 153 - 158

155

Đất trồng màu và đất vườn thường xuyên được cuốc xới, bổ sung nguồn phân bón hữu cơ và vô cơ, có pH trung tính, đó là các điều kiện rất thuận lợi cho sự phát triển của xạ khuẩn. Ngược lại, những loại đất nghèo dinh dưỡng và đặc biệt là có pH quá cao hay quá thấp, xạ khuẩn phân bố rất ít. Theo kết quả nghiên cứu, đất chịu ảnh hưởng của các hoạt động khai thác thiếc ở khu vực núi Pháo hay khai thác quặng sắt ở Trại Cau đều thuộc loại đất chua [3], vì vậy không thích hợp cho xạ khuẩn phát triển. Tuy nhiên, những nơi có hoạt động sản xuất của con người, pH có thể được cải thiện.

Màu sắc của hệ khuẩn ty xạ khuẩn cũng rất đa dạng. Chúng tôi nhận được 7 nhóm màu. Số lượng và tỷ lệ các nhóm màu rất khác nhau được thể hiện trên bảng 2.

Hình 1. Tỷ lệ xạ khuẩn có HTKS phân theo nhóm màu

Như thường lệ, xạ khuẩn thuộc 2 nhóm xám và trắng vẫn chiếm ưu thế. Tỷ lệ xạ khuẩn thuộc nhóm xám chiếm 51,23%, tiếp theo là nhóm trắng chiếm 24,07%, các nhóm màu còn lại chiếm tỷ lệ rất thấp.

Tỷ lệ các chủng xạ khuẩn có HTKS tương đối cao, có 82 trong tổng số 162 chủng được kiểm tra, chiếm 50,62%. So sánh với các kết quả đã công bố [1,2,3,4], đây là một tỷ lệ khá cao. Điều này đã chứng tỏ số lượng xạ khuẩn có khả năng sinh CKS ở các khu vực có hoạt động khai thác khoáng sản không những không thấp mà có phần còn cao hơn so với nhiều khu vực khác ở Thái Nguyên [1,2].

Kết quả trên bảng 2 và hình 1 còn cho thấy tỷ lệ xạ khuẩn có HTKS cũng rất khác nhau giữa các nhóm màu. Nhóm màu xám có số lượng chủng nhiều nhất đồng thời cũng có tỷ lệ chủng có HTKS cao nhất (chiếm 46,34%). Tuy nhiên, nếu xét riêng từng nhóm màu, các nhóm màu vàng, tím và hồng, mặc dù số lượng chủng ít nhưng tỷ lệ chủng có HTKS lại rất cao. Đây là kết quả đáng lưu ý.

Phổ kháng sinh của các chủng xạ khuẩn phân lập

Kiểm tra khả năng ức chế các nhóm VSV kiểm định, kết quả thể hiện trên bảng 3 và hình 2 đã cho thấy tính đối kháng của các chủng xạ khuẩn với các VSV kiểm định rất khác nhau. Trong tổng số 82 chủng có HTKS, như thường lệ, số chủng có khả năng kháng vi khuẩn Gram (+) là cao nhất, có 61 chủng - chiếm 74,39%, tiếp theo là kháng nấm mốc, có 58 chủng - chiếm 70,73% và thấp nhất là kháng vi khuẩn Gram (-), chỉ có 37 chủng -chiếm 45,12%. Đặc biệt, trong số này có 31 chủng - chiếm 37,8% có khả năng kháng được cả 2 nhóm vi khuẩn Gram (+) và Gram (-), có 20 chủng - chiếm 24,39% kháng được cả 3 nhóm vi khuẩn Gram (+), Gram (-) và nấm mốc.

Bảng 3. Tính đối kháng của xạ khuẩn với các nhóm VSV kiểm định

Xạ khuẩn có HT với VK Gr(+)

Xạ khuẩn có HT với VK Gr(-)

Xạ khuẩn có HT với nấm mốc

Xạ khuẩn có HT với cả 2 nhóm

VK Gr(+) và Gr(-)

Xạ khuẩn có HT với cả 3 nhómVK Gr(+), Gr(-)

và nấm mốc

Số lượng

Tỷ lệ (%)

Số lượng

Tỷ lệ (%)

Số lượng

Tỷ lệ (%)

Số lượng

Tỷ lệ (%)

Số lượng

Tỷ lệ (%)

61 74,39 37 45,12 58 70,73 31 37,80 20 24,39

Đỗ Thị Tuyến và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 153 - 158

156

74.39%

45.12%

70.73%

37.8%

24.39%

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Tỷ

lệ c

hủng

có

HT

KS

(%

)

VK

G+

VK

G-

NÊm mèc VK

G+ vµ G-

NÊm mèc

VK G+ vµ

G-

Nhóm VSV kiểm định

Hình 2. Tỷ lệ các chủng XK có HT với các nhóm

VSV kiểm định

Số lượng và tỷ lệ các chủng xạ khuẩn có hoạt tính với mỗi VSV kiểm định có sự khác nhau và được thể hiện trên bảng 4 và hình 3. Trong số 7 chủng VSV kiểm định, số chủng có hoạt tính với Staphylococcus aureus chiếm tỷ lệ cao nhất (54 chủng - chiếm 65,85%) và thấp nhất là kháng nấm Fusarium solani (chỉ có 22 chủng - chiếm 26,83%).

Hình 3. Tỷ lệ các chủng XK có HT với các VSV

kiểm định

1: Staphylococcus aureus ATCC 25923

2: Bacillus subtilis VTCC-B-888

3: Escherichia coli VTCC-B-883

4: Pseudomonas aeruginosa VTCC-B-481

5: Fusarium oxysporum VTCCF-1301

6: Fusarium solani VTCCF-1302

7: Aspergillus niger VTCCF-001

Bảng 4. Tỷ lệ các chủng XK có HT với các VSV kiểm định

Vi sinh vật ki ểm định Chủng XK có HTKS

Số lượng Tỷ lệ (%)

Vi khuẩn Gr(+) Staphylococcus aureus ATCC 25923 54 65,85

Bacillus subtilis VTCC-B-888 45 54,88

Vi khuẩn Gr(+) Escherichia coli VTCC-B-883 32 39,02

Pseudomonas aeruginosa VTCC-B-481 22 26.83

Nấm mốc

Fusarium oxysporum VTCCF-1301 42 51,22

Fusarium solani VTCCF-1302 22 26,83

Aspergillus niger VTCCF-001 32 39,02

Bảng 5. HTKS của 10 chủng xạ khuẩn tuyển chọn

Ký hiệu chủng

Hoạt tính kháng sinh (D-d, mmm)

E.coli VTCC-B-883

P. aeruginosa VTCC-B-481

B. subtilis VTCC-B-

888

S. aureus ATCC 25923

F. oxysporum VTCCF-1301

F. solani VTCCF-

1302

A.niger VTCCF-

001

TC 13.1 24,5 ± 0,5 28,3 ± 0,4 23,5 ± 0,5 22,6 ± 0,5 26,4 ± 0,5 25,9 ± 0,3 -

TC 13.2 26,4 ± 0,5 29,8 ± 0,4 24,2 ± 0,3 24,5 ± 0,5 24,8 ± 0,3 26,0 ± 0,5 -

TC 15.9 27,2 ± 0,3 27,3 ± 0,4 15,7 ± 0,5 11,2 ± 0,3 18,9 ± 0,4 12,1 ± 0,4 -

TC 12.1 26,3 ± 0,6 20,7 ± 0,3 20,7 ± 0,3 27,1 ± 0,4 25,1 ± 0,4 24,6 ± 0,5 -

TC 16.12 10,8 ± 0,3 8,9 ± 0,4 10,8 ± 0,3 13,1 ± 0,4 15,4 ± 0,5 16,5 ± 0,5 -

HT 17.8 10,2 ± 0,1 11,2 ± 0,1 10,2 ± 0,2 10,2 ± 0,1 15,1 ± 0,1 16,8 ± 0,7 -

HT 19.1 20,8 ± 0,7 20,5 ± 0,5 17,2 ± 0,3 15,2 ± 0,2 23,8 ± 0,7 27,8 ± 0,7 -

HT 12.2 12,2 ± 0,2 15,3 ± 0,5 11,2 ± 0,1 15,4 ± 0,3 17,5 ± 0,5 11,2 ± 0,1 -

HT 19.2 10,3 ± 0,3 10,2 ± 0,2 - 13,2 ± 0,1 5,0 ± 0,4 15,2 ± 0,2 -

HT 17.18 15,3 ± 0,3 6,0 ± 0,7 15,3 ± 0,3 - - 9,2 ± 0,1 -

Đỗ Thị Tuyến và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 153 - 158

157

Hình 4. Khả năng ức chế VSV kiểm định của một số chủng xạ khuẩn 1: TC16.12; 2: TC15.9; 3: TC13.1; 4: TC13.2; 5: TC12.1;

6: HT 19.1; 7: HT 17.8; 8: HT 17.18

Tuyển chọn các chủng xạ khuẩn có hoạt tính kháng sinh cao

Căn cứ từ các kết quả kiểm tra sơ bộ về HTKS ở trên, chúng tôi chọn ra 10 chủng có hoạt tính cao, hoạt phổ rộng để tiếp tục sàng lọc. Các chủng này được nuôi lắc trong môi trường Gause I dịch thể và kiểm tra HTKS của dịch lên men bằng phương pháp đục lỗ. Kết quả được thể hiện ở bảng 5.

Kết quả trên cho thấy phần lớn các chủng lựa chọn đều vẫn giữ được hoạt tính khi chuyển từ môi trường thạch sang môi trường dịch thể. Hoạt tính của các chủng tương đối ổn định. Tuy nhiên tất cả các chủng đều không có hoạt tính với nấm Aspergillus niger VTCCF-001. Có 5 chủng có hoạt tính mạnh nhất, có khả năng ức chế được với 6 trong 7 chủng VSV kiểm định: TC13.1, TC13.2, TC12.1, HT 17.8, HT 19.1 (hình 4).

Với hướng nghiên cứu tuyển chọn ra các chủng có HTKS cao, có hoạt phổ rộng và đặc biệt là có hoạt tính kháng nấm gây bệnh thực vật, 5 chủng trên được lựa chọn để tiếp tục nghiên cứu.

KẾT LUẬN

1. Số lượng xạ khuẩn phân bố ở trong đất tại khu vực núi Pháo, Đại Từ và mỏ sắt Trại Cau,

Đồng Hỷ, Thái Nguyên dao động trong khoảng từ 1,7 x 106 đến 12,07 x 106 CFU/g đất.

2. Đã phân lập và thuần khiết được 162 chủng xạ khuẩn từ 40 mẫu đất thu tại một số khu vực đất bị nhiễm quặng của tỉnh Thái Nguyên, trong đó có 82 chủng có hoạt tính kháng sinh (chiếm 50,62%), 61 chủng (74,39%) kháng vi khuẩn Gram (+), 58 chủng (70,73%) kháng nấm mốc, 37 chủng (45,12%) kháng vi khuẩn Gram (-), 31 chủng (37,8%) cả 2 nhóm vi khuẩn kiểm định G+ và G-, 20 chủng (24,39%) kháng cả vi khuẩn (+), vi khuẩn Gram (-) và nấm mốc.

3. Đã tuyển chọn ra 5 chủng xạ khuẩn TC 12.1, TC 13.1, TC 13.2, HT 19.1, HT17.8 có hoạt tính kháng nấm mạnh (F. oxysporum VTCCF-1301và F. solani VTCCF-1302) sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1]. Vi Thị Đoan Chính (2011), Tuyển chọn và nghiên cứu xạ khuẩn có khả năng đối kháng với một số chủng vi khuẩn gây nhiễm trùng bệnh viện. Báo cáo tổng kết đề tài khoa học và công nghệ cấp Bộ. Mã số: B2009-TN07-02. [2]. Vi Thị Đoan Chính, Trịnh Ngọc Hoàng, Trịnh Đình Khá, Vũ Thị Lan (2007), Nghiên cứu sự phân bố của xạ khuẩn sinh chất kháng sinh phân lập từ đất Thái Nguyên. Báo cáo khoa học Hội

Đỗ Thị Tuyến và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 153 - 158

158

nghị toàn quốc NCCB trong khoa học sự sống. Tr.433 – 437. [3]. Lê Đức, Nguyễn Quốc Việt (2007), Tác động của hoạt động khai thác khoáng sản tại Đại Từ, Đồng Hỷ, Thái Nguyên đến môi trường khu vực. Hội tháo KH Quốc gia “Những vấn đề môi trường và phát triển bền vững vùng đông bắc. Tr.153 – 159.

[4]. Nguyễn Lân Dũng, Phạm Thị Trân Châu, Nguyễn Thanh Hiền, Lê đình Lương, Đoàn Xuân Mượu, Phạm Văn Ty (1978), Một số phương pháp

nghiên cứu vi sinh vật học, Tập III, Nxb KH&CN, Hà Nội. [5]. Bùi Thị Việt Hà, 2006, Nghiên cứu xạ khuẩn thuộc chi Streptomyces sinh chất kháng sinh chống nấm gây bệnh thực vật ở Việt Nam, Luận án tiến sĩ sinh học, Hà Nội. [6]. Nguyễn Huỳnh Minh Quyên (2011), Điều tra nghiên cứu một số hoạt chất có khả năng kháng vi sinh vật và kháng dòng tế bào ung thư từ tế bào xạ khuẩn. Báo cáo tổng kết đề tài KH&CN cấp ĐH Quốc gia. Mã số 09.48. Hà Nội.

SUMMARY ANTIBIOTIC ACTIVITY OF SOME ACTINOMYCETES ISOLATED FROM SOIL WITH MINING OPERATIONS

Do Thi Tuyen, Dao Thi Hang, Luong Thi Huong Giang,

Nguyen Thi Huong Lien, Vi Thi Đoan Chinh∗

College of Sciences – TNU

A total of 162 actinomycete strains of the genus Streptomyces were isolated and pured from 40 soil samples collected from Thai Nguyen province. These isolates were then examined antibiotic activities by agar streak method against Gram-positive (Bacillus subtilis, Staphylococcus aureus), Gram-negative (Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa ,) bacteria and fungi (Fusarium oxysporum, Aspergillus niger, Fusarium solani). Results indicated that 82 isolates exhibited antibiotic activity (50,62%). Among them, 61 strains (74,39%) possessed antibiotic activity against Gram positivie bacteria, 37 strains (45,12%) – against Gram negative bacteria, 58 strains (70,73%) – against fungi. In particular, there are 31 strains (37.8%) against both Gram (+) and Gram (-) bacteria, 20 strains (representing 24.39%) against all three groups of Gram (+), Gram (-) bacteria and fungi. Five strains signed as TC 12.1, TC 13.1, TC 13.2, HT 19.1, HT 17.8 and HT 12.2 with high active against fungi were selected for further investigation. Key words: antibiotic, strains, mycelium, antibiotic activity, actinomycetes.

∗ Tel: 0987 123606, Email: vichinh57@gmail.com

Bùi Thị Hà Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 159 - 165

159

PHÂN LOẠI MỘT SỐ CHỦNG XẠ KHUẨN CÓ KHẢ NĂNG ĐỐI KHÁNG VI SINH V ẬT GÂY NHI ỄM TRÙNG BỆNH VIỆN

Bùi Thị Hà*

Trường Đại học Y Dược – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT Trong số các chủng xạ khuẩn đã phân lập từ đất của tỉnh Thái Nguyên, chúng tôi tiến hành sàng lọc nhiều lần và tuyển chọn được 2 chủng có hoạt tính kháng sinh mạnh nhất là A1, T2. Cả hai chủng này có khả năng kháng các vi sinh vật gây nhiễm trùng bệnh viện là Pseudomonas aeruginosa và Staphylococcus aureus. Sau đó chúng tôi tiến hành nghiên cứu đặc điểm sinh học và phân loại hai chủng xạ khuẩn này dựa theo chương trình xạ khuẩn quốc tế ISP. Kết quả cho thấy chủng A1 là một chủng xạ khuẩn thuộc loài Streptomyces kursanovii. Chủng T2 là một chủng xạ khuẩn thuộc loài Streptomyces cinereoruber subsp. cinereoruber. Từ khóa: Xạ khuẩn, Chủng, Hoạt tính kháng sinh, Phân loại, Môi trường.

∗ ĐẶT VẤN ĐỀ

Việt Nam là nước có tỷ lệ bệnh nhiễm trùng khá cao, dẫn đến nhu cầu về thuốc kháng sinh là rất lớn. Nhưng hiện nay chưa có nhà máy sản xuất kháng sinh vì vậy hàng năm vẫn phải nhập khẩu một lượng lớn thuốc kháng sinh. Để đáp ứng nhu cầu đó, từ lâu Đảng và Nhà nước ta đã quan tâm đến hướng sản xuất chất kháng sinh để đáp ứng nhu cầu chữa bệnh cho nhân dân.

Ngoài việc chữa bệnh trong thực tế còn tồn tại một vấn đề nữa cũng cần được giải quyết là hiện tượng nhiễm trùng bệnh viện – là việc người bệnh bị nhiễm thêm một hoặc một số vi khuẩn trong khi đang điều trị tại bệnh viện. Theo nhiều nghiên cứu tại các bệnh viện ở Việt Nam cho thấy tỷ lệ nhiễm khuẩn bệnh viện là 19,1%, tỷ lệ này còn tăng lên nếu bệnh nhân nằm viện kéo dài [6]. Việc sử dụng kháng sinh không đúng cách cùng với việc kiểm soát nhiễm trùng chưa tốt đã dẫn tới tình trạng kháng thuốc và nhiễm trùng bệnh viện đang gia tăng đến mức độ đáng lo ngại.

Pseudomonas aeruginosa và Staphylococcus aureus là hai trong số các tác nhân gây nhiễm trùng bệnh viện hàng đầu. Chúng là nguyên nhân trực tiếp và gián tiếp của hàng loạt các

∗ Tel: 01683 566.336, Email: buihayk@gmail.com

bệnh nhiễm khuẩn: viêm phổi, viêm phế quản, nhiễm trùng tiết niệu, nhiễm trùng huyết, nhiễm khuẩn vết mổ …Đồng thời, tỷ lệ kháng kháng sinh của hai chủng này ngày càng tăng cao. Với mong muốn đóng góp một phần kiến thức vào việc giải quyết vấn đề trên chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Tuyển chọn và phân loại một số chủng xạ khuẩn có khả năng đối kháng vi sinh vật gây nhiễm trùng bệnh viện”.

MỤC TIÊU

- Tuyển chọn được một số chủng xạ khuẩn mạnh nhất có khả năng đối kháng vi sinh vật gây nhiễm trùng bệnh viện.

- Nghiên cứu đặc điểm sinh học và phân loại của các chủng xạ khuẩn có hoạt tính kháng sinh mạnh.

NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nguyên liệu nghiên cứu

- Các chủng xạ khuẩn đã tuyển chọn.

- Các chủng vi sinh vật kiểm định (Streptoccocus aureus và Pseudomonas aeruginosa) do Bệnh viện ĐKTƯ Thái Nguyên cung cấp.

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu các đặc điểm sinh học.

- Phương pháp định loại theo chương trình xạ khuẩn quốc tế ISP.

Bùi Thị Hà Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 159 - 165

160

Thời gian và địa điểm nghiên cứu

Thời gian nghiên cứu từ tháng 1/ 2010 đến tháng 12/ 2010.

Địa điểm: Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên và Phòng Di truyền Vi sinh vật - Viện Công nghệ sinh học thuộc Viện khoa học Công nghệ Việt Nam.

Chỉ tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu các đặc điểm sinh học của 2 chủng xạ khuẩn đã lựa chọn.

- Phân loại 2 chủng xạ khuẩn đã tuyển chọn theo phương pháp truyền thống.

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Kết quả nghiên cứu đặc điểm sinh học

Các đặc điểm hình thái

Chủng A1 có cuống sinh bào tử dạng xoắn (S), bề mặt bào tử nhẵn, có khoảng 19 - 20 bào tử trên 1 chuỗi. Chủng T2 có cuống sinh bào tử dạng thẳng (RF), bề mặt bào tử nhẵn, số lượng bào tử trên 1 chuỗi là 20 - 45.

Đặc điểm về cuống sinh bào tử và bề mặt bào tử của 2 chủng xạ khuẩn được thể hiện trong hình 1 và hình 2.

Chủng A1

Chủng T2

Hình 1. Hình dạng cuống sinh bào tử 2 chủng xạ khuẩn

A1 (X10.000) A1 (X15.000)

T2 (X5000) T2 (X15000)

Hình 2. Hình dạng bề mặt bào tử 2 chủng xạ khuẩn

Bùi Thị Hà Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 159 - 165

161

Bảng 1. Đặc điểm nuôi cấy của 2 chủng xạ khuẩn

MT Chủng XK Sinh trưởng Màu KTCC Màu KTKS Sắc tố

ISP1 A1 + Trắng Trắng 0

T2 ++ Trắng xám Xám 0

ISP3 A1 +++ Trắng Trắng Vàng nhạt

T2 +++ Xám Xám 0

ISP4 A1 ++ Trắng Vàng 0

T2 + Trắng Vàng 0

ISP5 A1 ++ Trắng Vàng 0

T2 ++ Trắng xám Ghi Đen nâu

ISP6 A1 + Trắng Xám 0

T2 + Trắng Xám Đen

Gause I A1 +++ Xám nhạt Trắng sữa Vàng

T2 +++ Xám nhạt Trắng Vàng

Gause II A1 + Nâu nhạt Trắng Vàng

T2 + Đen Trắng Nâu

MT 79 A1 ++ Trắng Trắng 0

T2 + Nâu Trắng Vàng nâu

+++ Sinh trưởng tốt ++ Sinh trưởng bình thường + Sinh trưởng yếu - Không sinh trưởng

Các đặc điểm nuôi cấy

*Khả năng sinh trưởng, màu sắc KTCC, KTKS, sắc tố tan

Trên các môi trường dinh dưỡng khác nhau, các chủng xạ khuẩn thể hiện sự khác nhau về khả năng sinh trưởng, màu sắc KTCC, KTKS và sắc tố tan. Các đặc điểm nuôi cấy của 2 chủng xạ khuẩn được thể hiện trong bảng 1.

Cả 2 chủng xạ khuẩn đều có khả năng mọc tốt trên môi trường Gauss I, nhưng mọc kém trên MT ISP 6. Trên các MT còn lại, sự sinh trưởng của xạ khuẩn đạt mức bình thường.

* Sự hình thành melanin

Hình 3. Khả năng hình thành melanin của 2 chủng

Khả năng hình thành melamin được chú ý nhiều trong phân loại học. Xạ khuẩn được nuôi trên MT ISP - 6 ở nhiệt độ phòng. Nếu các chủng có khả năng sinh melamin thì chúng sẽ làm đổi màu môi trường từ vàng nhạt --> nâu đậm --> đen.

Dựa theo những số liệu thu được thì trong 2 chủng xạ khuẩn kể trên chỉ có chủng T2 có khả năng hình thành melanin, chủng A1 không có khả năng này.

Các đặc điểm sinh lý, sinh hóa

* Khả năng sinh enzym ngoại bào

Kết quả thử hoạt tính enzyme cellulase, amilase và protease của 2 chủng xạ khuẩn được cho trong bảng 2. Kết quả cho thấy cả 2 chủng đều có khả năng sinh ra các enzyme ngoại bào: amilase, cellulase và protease. Nhìn chung, hoạt tính enzyme của chủng A1 đều mạnh hơn của chủng T2. Với việc cả 2 chủng xạ khuẩn đều có hoạt tính cellulase và amilase thì đây thực sự là điểm đáng lưu ý bởi khi nuôi cấy chúng trên quy mô công nghiệp thì chúng ta có thể tận dụng những nguồn cacbon thô, rẻ tiền và sẵn có trong nước.

Bùi Thị Hà Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 159 - 165

162

Bảng 2. Khả năng sinh enzyme ngoại bào của 2 chủng xạ khuẩn

Chủng

Hoạt tính enzyme của 2 chủng XK A1 và T2 (D-d, mm)

Amilase Cellulase Protease

A1 20,33 ± 0,58

20,33 ± 0,89

19,67 ± 0,89

T2 18,67 ± 0,58

18,33 ± 0,89

19,47 ± 0,89

Bảng 3. Khả năng chịu muối của 2 chủng nghiên cứu

Nồng độ ( % ) A1 T2

0 ++ +++

0,5 ++ ++

1 ++ +

3 ++ +

5 + +

7 + -

9 + -

11 - -

12 - -

Ghi chú:

+++ Sinh trưởngtốt ++ Sinh trưởng bình thường

+ Sinh trưởng yếu - Không sinh trưởng

* Khả năng chịu muối

Các chủng nghiên cứu được nuôi cấy trên môi trường Gauss -1 có bổ sung NaCl ở các nồng độ dao động từ 0,5 - 12 %. Sau 5 ngày nuôi cấy, kết quả về sự sinh trưởng của các chủng được thể hiện trong bảng 3.

Dữ liệu nghiên cứu cho thấy: khả năng chịu muối của 2 chủng xạ khuẩn có sự khác biệt nhau. T2 chịu được nồng độ muối 5%, trong

khi A1 có thể sống trong môi trường có nồng độ muối 9%. Điều này chứng tỏ A1 là một chủng ưa mặn.

* Khả năng đồng hóa các nguồn đường khác nhau

Khả năng sử dụng nhiều nguồn đường (nguồn cacbon) khác nhau rất có ý nghĩa trong quá trình lên men công nghiệp. Khi ấy ta có thể tận dụng nhiều nguồn đường thay thế nhằm làm giảm chi phí lên men. Trong thí nghiệm của mình, chúng tôi tiến hành nuôi 2 chủng A1; T2 trên MT ISP -9 có bổ sung 1% các nguồn đường khác nhau. Sau 14 ngày nuôi, kết quả được thể hiện trong bảng 4 và hình 4.

Bảng 4. Khả năng sinh trưởng của 2 chủng xạ khuẩn trên các môi trường có nguồn đường

(cacbon) khác nhau

Nguồn cacbon Mức độ sinh trưởng

A1 T2

Không đường - -

Arabinose ++ ++

Cellulose - -

Fructose ++ ++

Glucose ++ +

Inositol +++ ++

Lactose +++ +++

Maltose + +++

Raffinose + ++

Ghi chú:

+++ Sinh trưởng tốt ++ Sinh trưởng bình thường

+ Sinh trưởng yếu - Không sinh trưởng

Hình 4. Sự sinh trưởng của 2 chủng xạ khuẩn trên các môi trường có nguồn cacbon khác nhau

Bùi Thị Hà Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 159 - 165

163

Bảng 5. So sánh đặc điểm phân loại của chủng A1 với loài Streptomyces kursanovii

Đặc điểm Xạ khuẩn A1 Streptomyces kursanovii

Cuống sinh bào tử Xoắn Xoắn

Bề mặt bào tử Nhẵn Nhẵn

Môi trường Gauze 1

Hệ sợi khí sinh Xám Xám

Hệ sợi cơ chất Vàng Vàng hơi đậm hoặc vàng cam

Sắc tố Vàng Giống màu KTCC, đôi khi không có

Môi trường Gauze 2

Hệ sợi khí sinh Ghi xám Vàng đến ghi

Hệ sợi cơ chất Vàng Vàng đến vàng nâu

Sắc tố Vàng Vàng

Môi trường Glycerin Nitrat

Hệ sợi khí sinh Vàng Vàng

Hệ sợi cơ chất Vàng đậm Vàng đậm

Sắc tố Vàng Vàng

Môi trường Sắt - Nấm men - Peptone

Sinh tổng hợp Melanoid Không sinh Melanoid Có sinh Melanoid

Sinh tổng hợp các chất kháng sinh Ostreogrisine, Fumaramycine

Môi trường đại mạch

Hệ sợi khí sinh Vàng Vàng

Hệ sợi cơ chất Vàng đậm Vàng đậm đến vàng cam

Sắc tố Vàng Vàng

Phân loại hai chủng xạ khuẩn

* Chủng A1

So sánh với mô tả của Gauze và cộng sự, chủng xạ khuẩn A1 giống với xạ khuẩn Streptomyces kursanovii (Preobrazhenskaya et al, 1957 và Pridham, 1958):

Kết luận: Như vậy chủng A1 là một chủng xạ khuẩn thuộc loài Streptomyces kursanovii. Chủng này giống các chủng phân loại như sau: ATCC 15824 (Bộ sưu tập giống chuẩn Mỹ); ISP 5162 (Dự án xạ khuẩn quốc tế), RIA 1054 (Viện nghiên cứu khoa học kháng sinh liên bang Liên Xô cũ)

* Chủng T2

So sánh với mô tả của Gauze và cộng sự, chủng xạ khuẩn T2 giống với xạ khuẩn Streptomyces cinereoruber subsp. cinereoruber (Corbaz et al, 1957c).

Kết luận: Như vậy, chủng xạ khuẩn T2 có thể xem là một chủng xạ khuẩn thuộc loài

Streptomyces cinereoruber subsp. cinereoruber. Chủng này giống các chủng phân loại như sau: RIA535 (Viện nghiên cứu khoa học kháng sinh liên bang Liên Xô cũ), ATCC 19740 (Bộ sưu tập giống chuẩn Mỹ), ISP 5012 (Dự án xạ khuẩn quốc tế).

KẾT LUẬN

Từ những kết quả đã thu được chúng tôi rút ra những kết luận sau:

- Đã tuyển chọn được 2 chủng xạ khuẩn có hoạt tính kháng sinh mạnh nhất có khả năng kháng 2 chủng vi sinh vật gây nhiễm trùng bệnh viện.

- Nghiên cứu được đặc điểm hình thái, đặc điểm nuôi cấy, đặc điểm sinh lý sinh hóa của hai chủng xạ khuẩn đã chọn.

- Phân loại được chủng A1 là một chủng xạ khuẩn thuộc loài Streptomyces kursanovii. Chủng T2 là một chủng xạ khuẩn thuộc loài Streptomyces cinereoruber subsp. cinereoruber

Bùi Thị Hà Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 159 - 165

164

Bảng 6. So sánh đặc điểm phân loại của chủng T2 với loài Streptomyces cinereoruber subsp. Cinereoruber

Đặc điểm Xạ khuẩn T2 Streptomyces cinereoruber subsp. cinereoruber

Cuống sinh bào tử Thẳng Thẳng Bề mặt bào tử Nhẵn Nhẵn Môi trường Gauze 1 Hệ sợi khí sinh Trắng Xám Hệ sợi cơ chất Không màu Tím hồng Sắc tố Không màu Tím hồng Môi trường Gauze 2 Hệ sợi khí sinh Xám Xám Hệ sợi cơ chất Nâu thẫm Nâu đến nâu thẫm Sắc tố Nâu Nâu, mất dần Môi trường Glycerin Nitrat Hệ sợi khí sinh Nâu xám Kem, nâu xám Hệ sợi cơ chất Đỏ sẫm Đỏ sẫm Sắc tố Đỏ Đỏ Môi trường Sắt - Nấm men - Peptone Sinh tổng hợp Melanoid Có sinh Melanoid Có sinh Melanoid Môi trường Đại mạch Hệ sợi khí sinh Xám Không mô tả Hệ sợi cơ chất Xám Không mô tả Sắc tố Không Không mô tả Sinh tổng hợp các chất kháng sinh Rhodomycine

. KIẾN NGHỊ 1. Tiếp tục phân loại 2 chủng xạ khuẩn theo phương pháp sinh học hiện đại. 2. Tiếp tục nghiên cứu bản chất hóa học của kháng sinh tách chiết từ các chủng xạ khuẩn. 3. Tiếp tục nghiên cứu tinh chế chất kháng sinh và khả năng ứng dụng của chúng trong đời sống.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO [1]. Ngô Đình Quang Bính (2005), Vi sinh vật học công nghiệp, Viện sinh thái và tài nguyên sinh vật, Trung tâm khoa học Tự nhiên và công nghệ Quốc gia, Hà Nội. [2]. Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đăng Đức, Đặng Hồng Miên, Nguyễn Vĩnh Phước, Nguyễn Đình Quyến, Nguyễn Phùng Tiến, Phạm Văn Ty (1976), Một số phương pháp nghiên cứu vi sinh vật học, tập 2, Nxb KHKT, Hà Nội. [3]. Bùi Thị Việt Hà (2006), Nghiên cứu xạ khuẩn sinh chất kháng sinh chống nấm gây bệnh thực vật ở Việt Nam, Luận án tiến sĩ sinh học, Hà Nội. [4]. Đỗ Thu Hà (2006), Động học của quá trình lên men sinh tổng hợp chất kháng sinh của 2 chủng xạ khuẩn QN – 29 và ĐN – 110 phân lập từ đất khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng, Tạp chí Di truyền học, Hà Nội. [5]. Trần Ðình Tuấn, Ðào Xuân Vinh, Nguyễn Thị Tuyết Vân và Cs, (2002), ‘’Tìm hiểu độ nhạy cảm với kháng sinh của một số chủng tụ cầu vàng

Staphylococcus aureus và trực khuẩn mủ xanh Pseudomononas aeruginosa phân lập tại Đak Lak năm 2000 ‘’, Hội nghị khoa học công nghệ tuổi trẻ các trường ĐH Y Dược Việt Nam lần thứ 11. [6]. Hoàng Kim Tuyến, Vũ Kim Cương, Đặng Mỹ Hương, (2005), ‘’Tình hình kháng kháng sinh của vi khuẩn gây bệnh phân lập tại bệnh viện Thống Nhất (từ 8/2002 – 8/2005)". [7]. Annaliesa S. Anderson, Elizabeth M.H. Wellington (2001), “The taxonomy of Streptomyces and related genera”, International Journal of Systematic and Evolution Microbiology, 51, 797 – 814. [8]. Joachim M. Wink. ‘’Method for taxonomic description of the actinobacteria’’ www.dsmz.de/microorganisms/files/Methods.pdf [9].Kyung Man You, Yong Keun Park (1996), “A new method for the selective isolation of actinomycetes from soil”. Biotechnology techniques Korea, Vol10, No7 [10]. Shirling E.B, Gotilieb D. (1966), " Methods for characterization of Streptomyces species", International Journal of Systematic Bacteriolog, Vol 16, No 3, 313 – 340. [11]. Shu-Kun Tang, Wen-Jun Li, Wang Dong, Yong-Guang Zhang, Li-Hua Xu, Cheng-Lin Jiang (2002), “Study of the Biological Characteristic of some Halophilic and Halotolerant actinomycetes isolated from saline and alkaline soils”, Actinomycetol, Vol17, No 1.

Phạm Hương Quỳnh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 167 - 173

165

SUMMARY CLASSIFYING SOME ACTINOMYCETE STRAINS WHICH ARE RES ISTANT MICROORGANISMS CAUSING INFECTIONS AT HOSPITAL

Bui Thi Ha ∗

College of Medicine and Pharmacy -TNU

Of actinomycete strains isolated from the land of Thai Nguyen province, we selected the two strains have strongest effected antibiotic including A1, T2 with several refinements - both strains were resistant microorganisms causing nosocomial infection namely Pseudomonas aeruginosa and Staphylococcus aureus. After that, we conducted research on the biological characteristics and classified two strains of this actinomycete actinomycete program based on international ISP. The results showed that strain A1 was an actinomycete strain of the species- Streptomyces kursanovii. T2 was a strain of the species Streptomyces cinereoruber subsp. Cinereoruber. Key words: Actinomyces, Strain, Antibiotic activity, Classification, Medium.

∗ Tel: 01683 566.336, Email: buihayk@gmail.com

Phạm Hương Quỳnh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 166 - 165

166

Phạm Hương Quỳnh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 167 - 173

167

THI ẾT KẾ MÔ HÌNH X Ử LÝ NƯỚC THẢI BẰNG HỆ THỐNG AEROTEN

Phạm Hương Quỳnh*, Phạm Thị Thu

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT

Thiết kế mô hình hệ thống aeroten, lập quy trình vận hành và nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình vận hành mô hình, qua đó phục vụ cho công tác thí nghiệm của sinh viên, giáo viên chuyên ngành Môi Trường. Ngoài ra mô hình cũng có thể được ứng dụng để xác định thông số tối ưu trong việc thiết kế, vận hành hệ thống xử lý nước thải trên thực tế: thời gian lưu, pH, hàm lượng khoáng, muối vv… Thiết kế thành công mô hình xử lý nước thải bằng hệ thống Aeroten, với hiệu xuất xử lý BOD5 có thể đạt 96,28%, hàm lượng chất ô nhiễm trong nước thải vào hệ thống đạt 500 mg/l. Mô hình được chế tạo bằng vật liệu Meka trong suốt, do đó có thể quan sát các hiện tượng xảy ra trong quá trình tiến hành thí nghiệm. Kết cấu nhỏ gọn, vững chắc. Rất thuận lợi cho việc vận chuyển và sử dụng trong thời gian dài. Từ khóa: Mô hình Aeroten, xử lý nước thải, xử lý hiếu khí.

∗ ĐẶT VẤN ĐỀ

Môi trường và những vấn đề liên quan đến môi trường luôn là đề tài được bàn luận một cách sâu sắc trong kế hoạch phát triển bền vững của bất kỳ quốc gia nào. Trong một vài thập niên gần đây, tình trạng ô nhiễm– suy thoái– suy giảm chất lượng môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng, đó là hậu quả của việc phát thải bừa bãi các chất thải có nguy cơ gây ô nhiễm cao chưa qua xử lý vào môi trường.

Việt Nam là một đất nước đang trong giai đoạn phát triển, việc chú trọng đến bảo vệ môi trường còn chưa tương xứng với hậu quả mà nó sẽ gây ra. Thể hiện, một số KCN và phần lớn các làng nghề đều phát thải chất thải gây ô nhiễm vào môi trường, nhiều con sông tại các thành phố lớn đều ô nhiễm nặng, từ đó gây ảnh hưởng không nhỏ đến sức khỏe của người dân.

Vấn đề cấp bách đặt ra trong giai đoạn hiện nay là cần ngăn chặn và xử lý triệt để các nguồn gây ô nhiễm trước khi phát thải vào môi trường, điều đó đồng nghĩa với việc các nhà máy, xí nghiệp, khu công nghiệp, khu thương mại… có phát sinh chất thải cần phải xử lý triệt để, đối với các làng nghề cần có hệ

∗ Tel: 0916 827728, Email: quynhktmt@gmail.com

thống thu gom và xử lý tập trung trước khi thải ra môi trường.

Tuy nhiên trên thực tế, việc thiết kế hệ thống xử lý nước thải thường gặp một số khó khăn như: quá trình lựa chọn thông số thiết kế không tối ưu, hàm lượng chất ô nhiễm luôn biến đổi, sai số trong quá trình thiết kế… qua đó sẽ làm giảm hiệu suất của công trình xử lý.

Để góp phần vào việc nâng cao chất lượng trong đào tạo chuyên ngành môi trường và lựa chọn các thông số thiết kế cũng như vận hành hệ thống xử lý nước thải trên thực tế, đề tài “ thiết kế mô hình xử lý nước thải bằng hệ thống Aeroten” đã được nhóm nghiên cứu lựa chọn để xây dựng và nghiên cứu. Sự thành công của đề tài sẽ được ứng dụng vào việc nghiên cứu và đề xuất ra các giải pháp tối ưu trong việc xử lý nước thải trên thực tế.

TỔNG QUAN

Bể aeroten (còn được gọi là bể oxy hóa) được cấp khí cưỡng bức. Trong hệ thống, các vi sinh vật sinh trưởng, phát triển và tồn tại dưới dạng bông sinh học (bùn hoạt tính). Trong quá trình oxy hóa các chất ô nhiễm, sinh khối được tạo thành.

Xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí – bùn hoạt tính ngày nay đã trở nên rất phổ

Phạm Hương Quỳnh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 167 - 173

168

biến và quen thuộc. Tổ tiên của phương pháp này là tiến sỹ Angus Smith. Vào thập niên 80 ông đã nghiên cứu việc làm thoáng khí tạo điều kiện ôxi hóa chất hữu cơ làm giảm ô nhiễm trong nước thải[4]. Từ đó đến nay có rất nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề này. Năm 1910 Black và Phelps trong công trình nghiên cứu của mình đã thấy rằng có thể làm giảm ô nhiễm nước thải thấy bằng cách sục khí. Nhiều thí nghiệm tiếp theo của Clark và Gage trong suốt 2 năm 1912 và 1913 cho thấy răng Nước thải được làm thoáng cùng với việc nuôi cấy vi sinh trong các hồ sễ làm tăng khả năng làm sạch của nước[4]. Dựa vào kết quả này TS G.J Flower thuộc Đại học Manchester – Anh thực hiện một số thí nghiệm tương tự cùng với việc nghiên cứu của Arden và Lockett tại viên nghiên cứu nước thải Manchester đã đi đến kết luận : Bùn đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý nước thải bằng cách sục khí. Công trình này được công bố vào ngày 3/5/1914. Arden và Lockett đặt tên cho quá trình này là Quá trình bùn hoạt tính[5].

Hiện nay, phương pháp sinh học hiếu khí – bùn hoạt tính ngày càng trở nên phổ biến và quen thuộc, nó đã và đang được áp dụng để xử lý hầu hết các loại nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao: nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp thực phẩm, nước thải bệnh viện… Hiệu suất của công trình khá cao, trung bình từ 80 – 96%. Hàm lượng chất ô nhiễm có thể xử lý BOD5 < 1200 mg/l. Lưu lượng xử lý của công trình khá lớn, đặc biệt là công trình xử lý bằng bể aeroten, tại Trung Quốc đã ghi nhận bể aeroten xử lý với lưu lượng lên tới 35000 m3/ngđ. [3]

Như vậy có thể nói, sự ra đời của phương pháp sinh học hiếu khí đã mở ra một hướng đi thiết yếu trong lĩnh vực xử lý nước thải, nó góp phần quan trọng vào việc giải quyết bài toán ô nhiễm môi trường, đặc biệt là vấn đề ô nhiễm môi trường nước bởi các chất hữu cơ.

THIẾT KẾ MÔ HÌNH AEROTEN

Nguồn nước vào bể

Lưu lượng Q = 6 (l/h). Nồng độ cơ chất đưa và bể BOD5 = 500 (mg/l). PH = 7 ÷ 8. Lưu lượng dòng vào Q = 6 (l/h) = 0.144 (m3/ngđ).

Hàm lượng chất dinh dưỡng COD : N : P = 100 : 5 : 1. Hàm lượng cặn lơ lửng SS ≤ 150 (mg/l). Độ tro của bùn hoạt tính z = 0.3.

Yêu cầu sau xử lý

Nước sau xử lý đảm bảo cột (B) TCVN 5945-2005:Hàm lượng cơ chất đầu ra: BOD5 = 50 (mg/l). Hàm lượng cặn lơ lửng: SS = 50 (mg/l) trong đó có 65% là cặn bay hơi.

Hàm lượng ôxi hoà tan DO = 2 ÷ 4 (mg/l).

Kết quả tính toán bể Aeroten

-Lượng BOD5 hoà tan trong nước thải đầu ra:

Lượng chất hữu cơ trong cặn lơ lửng tại đầu ra:

50 x 0,65 = 32.5 (mg/l)

Hàm lượng BOD20 khi ôxi hoá hoàn toàn cặn:

32.5 x 1.42 = 46.15 (mg/l).

Coi:

68.020

5 =BOD

BOD

Lượng BOD5 trong cặn lơ lửng đầu ra:

46.15 x 0.68 = 31.38 (mg/l)

Hàm lượng BOD5 hoà tan trong nước thải đầu ra

S = 50 – 31.38 = 18.62 (mg/l)

- Hiệu suất xử lý của hệ thống

100.

0S

SSE o −=

Trong đó

So - nồng độ BOD5 ban đầu: So = 500 (mg/l).

S - nồng độ BOD5 hoà tan trong nước thải đầu ra: S = 18.62 (mg/l).

=> Hiệu suất xử lý của hệ thống là:

%28,96100.500

62.18500 =−=E

- Thể tích làm việc của bể Aeroten

Sử dụng bể aeroten dạng hình chữ nhật trên tiết diện ngang.

Thể tích làm việc của bể được tính theo công thức:

)1(

)(

cdkXSoScYQ

Vθ

θ×+×

−×××= (m3).

Trong đó:

Phạm Hương Quỳnh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 167 - 173

169

X – Nồng độ bùn hoạt tính trong bể.

(Theo bảng 5.1- [1] )

X = 1500 (mg/l).

kd – Hiệu suất phân huỷ nội bào

Y- Hệ số năng suất sử dụng chất nền cực đại (mg BOD5/mg bùn) (Theo bảng 5.1[1])

kd = (0.02 – 0.1) → chọn kd = 0.06 (ng-1).

Y = (0.3 – 0.8) → chọn Y = 0.38 (mg BOD5/ mg bùn).

Q – Lưu lượng nước thải đưa vào bể → Q = 0.144 (m3/ngđ).

θc - Tuổi của bùn.

θc = (0.75 -15) → chọn θc = 3.4 (ngày).

)3(6049.0)4.306.01(1500

)62.18500(4.338.0144.0mV =

×+×−×××=

=> Dung tích làm việc của bể V = 50 (lit).

- Thời gian lưu của nước thải trong bể

Là khoảng thời gian mà nước thải được sục khí, được xác định theo công thức:

- Lượng cặn phải xả đi hàng ngày khi hệ thống hoạt động ổn định

- Hệ số sản sinh bùn từ việc khử BOD5.

=×+

=cdk

ybY

θ13156.0

4.306.0138.0 =

×+ - Lượng bùn hoạt tính sinh ra do khử BOD5.

Px = Yb x Q x (So - S) x 10-3 = 0.3156 x 0.144 x (500 – 18.62)x 10-3= 0.0219 (kg/ngđ).

- Tổng lượng cặn lơ lửng sinh ra theo độ tro.

=−

=z

xPxlP

103125.0

3.010219.0 =−

(kg/ngđ).

- Lượng bùn dư phải xả hàng ngày.

Pxả = Pxl - Q . SS .10-3 = 0.03125 – 0.144 x 50 x 10-3 = 0.024 (kg/ngđ).

- Lưu lượng bùn dư phải xả hàng ngày (Qxả)

Khi hệ thống hoạt động ổn định, bùn dư được xả từ đáy bể lắng theo đường tuần hoàn bùn.

raratxac XQXQ

XV

×+××=

·θ

Qxả ra ra c

t c

V X Q X

X

θθ

× − × ×=×

. [6.6 – [1].

Trong đó

Qxả- Dung tích bùn xả ra (m3/ngày).

V – Thể tích bể Aeroten (m3)

X t – Nồng độ bùn tuần hoàn trong dung dịch tuần hoàn (mg/l)

Chọn hàm lượng cặn lơ lửng tuần hoàn

Ct = 4500 (mg/l)

Xt = Ct x (1 – 0.3) = 5400 x 0.7 = 3150 (mg/l).

X – Nồng độ bùn trong bể aeroten: X = 1500(mg/l).

Xra – Nồng độ bùn hoạt tính trong nước thải ra khỏi bể lắng (mg/l).

Xra = SS x 0.65 = 50 x 0.65 = 32.5 (mg/l).

Qra - Lưu lượng nước thải đã xử lý ra khỏi bể lắng (m3/ngđ)

Coi Qra = 0.144 (mg/l)

Qxả 31046.54.33150

4.35.32144.015000496.0 −×=×

××−×=

(m3/ngđ)

- Thời gian tích luỹ cặn

Là khoảng thời gian thực hiện tuần hoàn toàn bộ lượng cặn sinh ra, nhằm đảm bảo lượng bùn hoạt tính trong bể đạt X = 1500 (mg/l).

Thời gian tích luỹ cặn được xác định theo công thức:

4.3

0219.0

31015000496.0 =−××=×=

xPXV

t

- Lưu lượng dòng tuần hoàn

Mục đích:

Đảm bảo lượng bùn trong bể aeroten luôn ổn định X = Const = 1500 (mg/l), trong suốt thời gian hoạt động của bể.

Điều chỉnh dễ dàng nồng độ bùn hoạt tính trong bể aeroten bằng cách tăng hoặc giảm lượng dòng tuần hoàn.

Lượng tuần hoàn được xác định theo phương trình cân bằng khối lượng bùn hoạt tính đi vào và đi ra khỏi bể.

Qo . Xo + Qt . Xt = (Qv + Qt).X

Coi nồng độ bùn hoạt tính trong nước thải đi vào bể là không đáng kể

Phạm Hương Quỳnh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 167 - 173

170

→ Xo = 0

⇒Hệ số tuần hoàn:

==v

t

Q

Qα =− XX

X

t 91.0

150031501500 =

− ⇒ Lưu lượng dòng tuần hoàn: Qt = α .Qv = 0.91 x 0.144 = 0.131 (m3/ngđ).

- Kiểm tra thông số hoạt động của bể

- Tỷ lệ khối lượng BOD5 có trong nước thải và khối lượng bùn hoạt tính.

968.01500344.0

500 =×

=×

=X

S

M

F o

θ (mg BOD5/ mg bùn)

Giá trị này nằm trong khoảng cho phép thiết kế bể aeroten khuấy trộn hoàn chỉnh là: 0,2 – 1.( bảng 5.1 - [2] )

→ vi sinh vật phát triển ổn định, tạo nha bào, tạo bông sinh học, hệ thống xử lý hiệu quả.

- Tải trọng BOD5 trên một đơn vị thể tích (kg BOD5/ m

3.ngđ).

452,10496.0

10144.0500 3

=××=×=−

V

QSL o

a

Giá trị này nằm trong khoảng cho phép khi thiết kế bể aeroten khuấy trộn hoàn chỉnh là: 0,8 – 1,9 (gBOD5/m

3.ngày) [2]

=> Đảm bảo vi sinh vật hoạt động tốt.

- Tốc độ sử dụng chất nền của 1 gam bùn hoạt tính.

1500344.062.18500

100)/(

×−=

×−=×=X

SSoEMF

θρ

= 0.97 (g BOD5/ g bùn)

- Tính chọn kích thước bể Aeroten

Để đảm bảo an toàn và dễ quan sát trong quá trình tiến hành thí nghiệm, ta chọn vật liệu làm bể là vật liệu nhựa chịu lực: Mica. Độ dày bể δ =5 (mm). Các mặt của bể được gắn kết với nhau bằng keo chuyên dụng. Thể tích làm việc của bể V = 50 (lit) = 50000 (cm3)

Chọn: Chiều cao dự phòng hdp = 10 (cm).

Chiều cao làm việc h = 35 (cm).

Chiều rộng của toàn bể b = 32 (cm).

=> chiều dài của bể

)(7.443535

50000cm

hb

VL =

×=

×=

chọn L = 45 (cm).

=> chiều cao của toàn bể: H = h + hdp = 45(cm) = 450 (mm).

- Lưu lượng không khí cần thiết.[1]

- Lượng ôxi cần cấp vào bể trong điều kiện tiêu chuẩn.

xo

o Pf

SSQOC ×−−×= 42.1

)(

Với COD

BODf 5=

= 0.6

=>OCo=

08443.00219.042.16.01000

)62.18500(144.0 =×−×

−×

(kg/ngđ)

- Lượng không khí cần thiết trong điều kiện thực tế (t = 20oC)

αβ ××

−××= −20

20

20

027.11t

lot CC

COCOC

Trong đó: C20 – Nồng độ ôxi hoà tan ở 200c: C20 = 9.08 (mg/l).

Cl – Nồng độ ôxi hoà tan trong bể aroten, chọn Cl = 2 (mg/l).

α – Hệ số điều chỉnh lượng ôxi ngấm vào nước thải do ảnh hưởng của hàm lượng cặn, chất hoạt động bề mặt, loại thiết bị làm thoáng và kích thước của bể: α = 0.8.

β - Hệ số điều chỉnh sức căng bề mặt theo hàm lượng muối: β =1

=>OCt = 0.08443 x

8.0027.1

1

208.9

08.92020 ×

×− −

= 0.1354 (kg/ngđ).

- Lượng không khí cần thiết

Sử dụng thiết bị phân phối khí có kích thước trung bình,đường kính lỗ phân phối dlỗ = 1(mm).

Công suất hoà tan oxi vào nước của thiết bị phân phối khí có kích thước trung bình là: [1].

Ou = 7 (gO2/m3.m)

Hệ thống phân phối khí được đặt cách đáy bể 2 (cm), tức hệ thống này ngập sâu

h = 35 -2 = 33 (cm).

→ công suất hoà tan ôxi vào nước ở độ sâu h = 0.33 (m).

OU = Ou x h = 7 x 0.33 = 2.31 (kg/ngđ)

Phạm Hương Quỳnh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 167 - 173

171

=> Lượng không khí cần thiết đưa vào bể:

Qk = fOU

OCt ×

Với f = (1.5 - 2), chọn f = 1.7.

→Qk 645.997.131.2

10001354.0 =××=

(m3/ngđ) = 69.2(l/p) = 1,1533.10-3 (m3/s).

Tính toán thiết bị phụ - Tính toán hệ thống phân phối khí.

Sử dụng hệ thống phân phối khí dạng xương cá, với 1 ống chính và 6 ống nhánh, các ống nhánh đặt vuông góc với thành dọc của bể, lỗ phân phối khí được phân bố đều trên các ống nhánh, theo chiều ngang bể các lỗ được phân bố so le nhau.

- Tính Toán máy nén khí

Năng suất yêu cầu của máy thổi khí:

Qk = 1,1533.10-3 (m3/s).

Công suất của máy thổi khí:

Pmáy

−

××××= 1

7.29

283.0

1

21

P

P

en

TRG (kw).=64

(w).

- Tính toán bể lắng thứ cấp

Bể lắng thứ cấp có dạng hình chữ nhật với đáy dạng hình chóp.

Tính toán vùng lắng:

Chọn thời gian lưu của nước thải trong bể lắng thứ cấp t = 2 (h).

→ Thể tích làm việc của bể là:

WL = (Q + Qt). t = Q.(1 + α ).t =

224

)91.01(144.0 ×+× = 22.92.10-3 (m3)

Chọn chiều cao làm việc của bể là:

hl = 0.3 (m).

→ Diện tích tiết diện ngang của bể là:

)(071625.0

32.01092.22 3

3

mh

WS

l

−×==

Chọn chiều dài của bể: l1 = b = 0.32 (m).

→ Chiều rộng của bể là:

b2 )(2269.032.0

71625.0

1

mL

S === .

Chọn b2 = 0.23 (m).

Vận tốc làm việc lắng của hạt cặn:

V l = Vmax. e6

10−××− LCk

[1].

Trong đó:

Vmax = 7 (m/h).

K = 600.

Cl – Nồng độ cặn tại mặt phân chia tại mặt giữa phần lắng trong và lắng cặn.

Với CL = tC.2

1 = )/(22504500

2

1 3mg=× .

=> VL = 7. e6

102250600−××−

=1.8147 (m/h) = 0.5 (mm/s).

Để đảm bảo quá trình lắng đạt hiệu quả cao → vận tốc nước dâng trong bể lắng (Vl) < vận tốc lắng của hạt cặn trong bể(Vd).

Với S = 0.071625 (m2)

→ vận tốc dâng của nước trong bể là:

Vd =+=S

QQ tV =+×S

Qv )1( α

)/(16.0071625.024

)91.01(144.0hm=

×+×

= 0.0445 (mm/s) < Vl = 0.5 (mm/s).

=> Với vận tốc dâng như trên đảm bảo quá trình lắng đạt hiệu quả cao. (Giá trị (Qv + Qt) đảm bảo vận tốc nước dâng khi không có dòng tuần hoàn. Để tăng hiệu quả của quá trình lắng ta sử dụng 3 tấm chắn hình chữ nhật, gắn trên 2 thành của bể lắng, tạo với thành bể góc nghiêng 45o. Tấm chắn 1 cách mặt thoáng một khoảng: a1 = 10 (mm). Tấm chắn 2 cách mặt thoáng một khoảng: a2 = 75 (mm). Tấm chắn 3 cách mặt thoáng một khoảng: a3 = 140 (mm) Tính toán tấm chắn. Ba tấm chắn có hình dạng và kích thước hoàn toàn giống nhau. Chiều rộng tấm chắn:

b2 ).(158.045sin

11135.0m

o==

Chiều dài tấm chắn: l2 = b = 0.32 (m).

=> Vận tốc xả:

Phạm Hương Quỳnh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 167 - 173

172

Vxđ )/(44)/(3.15824107256.5

31586.14

smmhmF

Q

xd

xd ==××

== −

Mô hình

1 Thùng cao vị

2 Bể Aeroten

3 Máy thổi khí

4 Bể lắng

5 Thùng đựng nước sau xử lý

6 Thùng đựng bùn tuần hoàn

7 Đồng hồ đo lưu lượng nước

8 Van điều chỉnh lưu lượng nước

9 Van điều chỉnh lưu lượng bùn

10 Đồng hồ đo lưu lượng bùn

11 Đồng hô đo lưu lượng khí

12 Van điều chỉnh lưu lượng khí

KẾT LUẬN

Thiết kế thành công mô hình xử lý nước thải bằng hệ thống Aeroten, với hiệu suất xử lý BOD5 có thể đạt 96,28%, hàm lượng chất ô nhiễm trong nước thải vào hệ thống đạt 500 mg/l.

Mô hình được chế tạo bằng vật liệu Meka trong suốt, do đó có thể quan sát các hiện tượng xảy ra trong quá trình tiến hành thí nghiệm.

Kết cấu nhỏ gọn, vững chắc. Rất thuận lợi cho việc vận chuyển và sử dụng trong thời gian dài.

Với những kết quả đạt được, sau quá trình kiểm tra, nhóm thực hiện đề tài nhận thấy:

- Mô hình có kích thước nhỏ gọn: tổng thể tích của toàn hệ thống (thể tích bể Aeroten + bể lắng) là: V = 73 m3.

- Kết cấu vững chắc: hệ thống được chế tạo bằng vật liệu Meka trong suốt, có độ dày: δ = 10 mm.

- Hiệu suất xử lý BOD5 cao: có thể đạt H = 96,28%

- Phạm vi xử lý rộng, thích hợp xử lý các loại nước thải có hàm lượng chất hữu cơ BOD5 ≤ 500 mg/l và không có yếu tố kìm hãm.

- Nước sau khi qua hệ thống đảm bảo tất cả các tiêu chuẩn xả thải hiện hành.

Mô hình xử lý nước thải bằng hệ thống Aeroten là một thiết bị rất thích hợp để phục vụ thí nghiệm về xử lý nước thải cho sinh viên chuyên ngành Môi trường, đặc biệt là thí nghiệm về xử lý nước thải bằng hệ thống Aeroten. Không những vậy, mô hình cũng có thể được ứng dụng để xác định các thông số thiết kế tối ưu như: thời gian lưu, pH, hiệu suất xử lý vv… trong việc thiết kế hệ thống Aeroten với những dòng thải khác nhau.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO [1]. Trịnh Xuân Lai, Tính toán thiết kế công trình xử lý nước thải. NXB Xây dựng. 2000. [2]. PGS.TS. Hoàng Huệ, PGS.TS. Trần Đức Hạ. Thoát Nước Tập I, II. NXB Khoa Học Kỹ Thuật HN. 2002. [3]. PGS.TS. Lương Đức Phẩm. Công nghệ xử lý nước thải bằng biện [4]. Metcalt & Eddy, Inc. Wastewater Engineering Treatment, Disposal and, Reuse. McGraw Hill, New York 1991. [5]. Udo Wiesmann, In Su Choi, Eva-Maria Dombrowski. Fundamentals of Biological Wastewater Treatment. Wiley-VCH Verlag GmbH and o.KgaA.2007

Nguyễn Thị Thanh Thảo Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 175 - 178

173

SUMMARY DESIGNING AN AEROTEN WASTEWATER TREATMENT SYSTEM

Pham Huong Quynh∗, Pham Thi Thu

College of Technology - TNU

Designing the model for the Aeroten treatment plant, making an operation procedure, and researching on factors affecting the plant operation process are necessary for the research of lecturers and students of environmental science field of study. Moreover, the model can be applied to determine the most efficient parameters for the design and operation of the real wastewater treatment system: retention time, pH, minerals and salt levels, etc. The successful design of an Aeroten wastewater treatment model can have a BOD5 removal efficiency of 96.28% with the BOD level intake of the system reaching 500 mg/L. The model is made of transparent Meka material that allows the observation of processes occurring during the experiment. The model is relatively compacted that allows easy transportation and use in a long time. Key words: Aeroten, wastewater, wastewater treatment.

∗ Tel: 0916 827728, Email: quynhktmt@gmail.com

Nguyễn Thị Thanh Thảo và Đtg

Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 167 - 173

174

Nguyễn Thị Thanh Thảo Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 175 - 178

175

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ SỐ PHÁT THẢI MỘT SỐ CHẤT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ C ỦA NHÀ MÁY NHI ỆT ĐIỆN ĐỐT THAN QUẢNG NINH

Nguyễn Thị Thanh Thảo*

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT

Tại Vi ệt Nam, nhiệt điện đốt than đóng vai trò vô cùng quan trọng trong ngành sản xuất điện năng và sự phát triển của nền kinh tế. Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động, chúng cũng tạo ra một loạt các loại khí thải gây hại đến con người và môi trường, đặc biệt là CO, SO2, NOx,… Bài viết này trình bày kết quả tính toán xác định hệ số phát thải của một vài chất ô nhiễm dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại nhà máy nhiệt điện đốt than Quảng Ninh. Hệ số phát thải thu được đối với CO, SO2, NOx và bụi lần lượt là 328 (g/MWh), 97 (g/MWh), 1621 (g/MWh), 80 (g/MWh). Theo các giá trị trên, mức phát thải của các chất trong tương lai cũng được dự đoán bằng CO- 703 (tấn/năm), SO2- 208 (tấn/năm), NOx – 3.477 (tấn/năm), bụi – 172 (tấn/năm). Từ khóa: hệ số phát thải, ô nhiễm, khí thải, bụi, nhiệt điện đốt than.

∗ ĐẶT VẤN ĐỀ

Than thiên nhiên là nhiên liệu cho các nhà máy nhiệt điện đốt than. Thành phần sản phẩm cháy sau khi đốt than tạo ra các loại khí bụi gây hại cho con người và môi trường như SO2, CO, NOx,…. Qua ống khói, khói chứa các hạt khí bụi này bị xả thải vào khí quyển một lượng đáng kể. Tùy theo công nghệ đốt, chủng loại nhiên liệu, công suất phát từng thời kì mà lượng các chất gây ô nhiễm có thể nhiều hay ít. Hiện nay khi có đủ số liệu về vận hành nhà máy, các dữ kiện về địa lý – khí hậu của vùng địa dư phụ cận người ta có thể tính toán được mức phát thải của chúng để xác định phạm vi tác động của nguồn thải, từ đó đưa ra các biện pháp, những chiến lược quyết định chính xác nhằm cải thiện môi trường. Một công cụ hữu ích phục vụ cho công tác đó là hệ số phát thải.

Ở các nước phát triển như Mỹ, Nhật, Trung Quốc,… việc nghiên cứu xác định hệ số phát thải phục vụ cho các hoạt động quản lý môi trường đã được quan tâm, tiến hành từ lâu. Nhờ đó mà họ đã có nhiều thành công trong việc kiểm soát ô nhiễm trong công nghiệp. Tuy nhiên, điều này còn khá mới mẻ ở Việt Nam. Trong khi, theo thống kê tại “T ổng sơ đồ Phát triển Điện lực Việt Nam’’ giai đoạn

∗ Tel: 0918 322422

2006 – 2025 , tính đến năm 2010 tổng công suất các nhà máy điện ở nước ta là 19.533 MW, trong đó nhiệt điện đốt than chiếm khoảng 25,2% [5]. Điều này cho thấy, ngành nhiệt điện đốt than ở Việt Nam là một ngành then chốt, có vai trò rất quan trọng trong cơ cấu sản xuất điện năng. Ngoài ra, đại đa số những nhà máy nhiệt điện này thuộc thế hệ cũ, công nghệ lạc hậu và xuống cấp nghiêm trọng nên đã gây ảnh hưởng rất lớn đối với môi trường.

Theo tính toán của bộ KHCN&MT tính trong năm 2010 lượng phát thải bụi, SOx, NOx, CO2 khi sử dụng nhiên liệu hữu cơ trong sản xuất điện tương ứng là 1.178, 101, 120, 36.102 ngàn tấn [1]. Theo nhu cầu sử dụng điện hiện nay và trong tương lai thì lượng khí bụi này sẽ còn tiếp tục tăng rất mạnh trong những năm tiếp theo. Xuất phát từ thực tiễn đó, nghiên cứu này được tiến hành nhằm xác định hệ số phát thải cho nhà máy nhiệt điện đốt than Quảng Ninh, từ đó phương pháp này có thể sử dụng để tính toán phát thải trên các nhà máy khác ở Việt Nam.

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Hệ số phát thải và các phương pháp tính toán hệ số phát thải

Hệ số phát thải: Hệ số phát thải (EF- emission factor) là một giá trị đại diện, hệ số được sử

Nghiêm Ngọc Minh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 179 - 183

176

dụng để diễn tả khối lượng chất ô nhiễm thải vào bầu khí quyển với một hoạt động liên quan đến sự thải chất ô nhiễm đó [6].

Việc xây dựng hệ số phát thải có ý nghĩa quan trọng trong việc sử dụng các phần mềm, mô hình tính toán nồng độ và kiểm kê phát thải. Từ đó có thể dự báo tổng lượng phát thải của các chất ô nhiễm của những nguồn thải đang hoạt động hoặc sẽ hoạt động trong tương lai.

Hệ số phát thải thường biểu hiện dưới dạng khối lượng chất ô nhiễm trên một đơn vị khối lượng thể tích, hay dạng khối lượng chất ô nhiễm trên một đơn vị sản phẩm

Các phương pháp tính toán hệ số phát thải

* Phương pháp xác định hệ số phát thải dựa trên cân bằng vật chất [3].

Phương trình cân bằng vật liệu được thiết lập cho các nguyên tố đầu vào và đầu ra của quá trình dựa trên các phản ứng hoá học và các biến đổi về lượng của thành phần nguyên nhiên liệu, và các nguyên tố. Từ đó, có thể tính toán được lượng chất ô nhiễm tạo thành và tính được hệ số phát thải cho từng loại quá trình, chất ô nhiễm.

* Phương pháp xác định hệ số phát thải dựa trên việc quan trắc nguồn thải [4]

Quan trắc không liên tục: Thông tin về hệ số phát thải có thể được xác định dựa trên các thí nghiệm đã được tiến hành bởi một nhóm trang thiết bị phù hợp hoặc từ các nguồn thông tin có uy tín và chất lượng.

Quan trắc phát thải liên tục: Tiến hành đo đạc trực tiếp tại nguồn thải, thu thập số liệu và kết hợp các phương pháp tính toán, từ đó xác định được thải lượng các chất ô nhiễm phát sinh. Đây là phương pháp cho độ chính xác cao, tuy nhiên chi phí rất lớn và đòi hỏi phải có nguồn nhân lực tốt.

Quá trình ti ến hành xác định hệ số phát thải

Quá trình chuẩn bị:

Trước khi tiến hành lấy mẫu, các thiết bị được vệ sinh, kiểm tra, lắp ráp và hiệu chuẩn

để đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình lấy mẫu.

* Đối với thiết bị lấy mẫu bụi: Nhiệt độ và tốc độ khí được đo để lựa chọn vật liệu lọc và kích thước đầu lấy mẫu phù hợp.

* Đối với thiết bị đo nhanh chất lượng khí thải: Kiểm tra các bộ phận, ống nối để đảm bảo không có không khí xâm nhập vào đường ống.

Quá trình quan trắc:

Nghiên cứu được tiến hành tại tổ máy 1 của nhà máy Nhiệt điện Quảng Ninh. Điểm lấy mẫu nằm trên ống khói và ở độ cao 50m so với mặt đất.

Trong khói thải chứa nhiều thành phần ô nhiễm ở thể rắn và thể khí, nhưng đối tượng của đề tài tập trung vào khí CO, SO2, NOx và bụi. Các mẫu bụi được lấy bằng thiết bị METLAB ( Thụy Điển), các mẫu khí được đo bằng thiết bị đo nhanh Drager MSI – PRO2 ( Đức).

Quá trình lấy mẫu bụi được tiến hành theo phương pháp lấy mẫu đẳng khí động Isokinetic. Đầu lấy mẫu được đặt đảm bảo độ lệch so với phương chuyển động không quá 100 và van điều khiển được điều chỉnh sao cho tốc độ dòng khí lấy mẫu bằng tốc độ dòng khí trong ống khói tại thời điểm lấy mẫu ( sai số không quá 10%). Mỗi vị trí được đo 6 điểm và thời gian cho mỗi điểm là 10 phút.

Mỗi vị trí lấy mẫu khí được tiến hành đo trong 3 lần để đảm bảo độ chính xác cao. Ngoài những thông tin về kết quả hiển thị trên thiết bị thì điều kiện hoạt động của thiết bị , điều kiện lấy mẫu như vị trí, kích thước ống,..

Nguyễn Thị Thanh Thảo Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 175 - 178

177

cũng đã được ghi chép cẩn thận để có đủ dữ liệu trong quá trình tính toán hệ số phát thải.

Ước tính hệ số phát thải cho nhà máy nghiên cứu

Sau khi tiến hành quan trắc thu thập các số liệu, các thông tin cần thiết từ nhà máy thì quá trình tính toán hệ số phát thải được xác định theo công thức :

310−××

=B

QCEFx x ( g/tấn) (1)

hoặc :

310−××

=P

QCEFx x (g/MWh) (2)

Lưu lượng khí thải Q được tính theo công thức sau :

Q = v.A /3600 (m3/h) [4] Trong đó: EFx: Hệ số phát thải của chất ô nhiễm( bụi, SO2, NOx, CO ); Cx: Nồng độ chất ô nhiễm x đo tại ống khói (mg/m3); V: Vận tốc dòng khí tại ống khói (m/s); A : Tiết diện ống khói (m2); B : Lượng nhiên liệu tiêu thụ (tấn/h); P : Lượng điện sinh ra (MWh).

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải

Kết quả đo đạc nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải của nhà máy được tổng hợp dưới bảng 1:

Bảng 1. Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải

CO SO2 NOx Bụi thải

116,3 34,3 574,3 28,2

(Đơn vị: mg/Nm3)

Hình 1. So sánh nồng độ các chất ô nhiễm với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia 2009

Kết quả này được đem so sánh với “Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về công nghiệp nhiệt điện” năm 2009 của bộ Tài nguyên và Môi trường cho thấy tất cả đều nằm trong giới hạn cho phép về tiêu chuẩn phát thải, tuy nhiên nồng độ NOx vẫn ở giá trị rất cao.

Hệ số phát thải của bụi, SO2, NOx, CO

Hệ số phát thải các chất được tính toán dựa trên công thức (1) và (2) nhờ các thông tin thu thập được trong quá trình quan trắc. Kết quả thu được được trình bày dưới bảng (2), (3) cho thấy hoàn toàn phù hợp với điều kiện thực tế của nhà máy.

Bảng 2. Hệ số phát thải các chất ô nhiễm của nhà máy

CO SO2 NOX Bụi

328 97 1621 80

Đơn vị: g/MWh

Bảng 3. Hệ số phát thải các chất ô nhiễm của nhà máy

CO SO2 NOX Bụi

710 209 3510 173

Đơn vị: g/tấn (than đốt)

Có thể giải thích kết quả này là do nhà máy đã có thiết bị lọc bụi và thiết bị xử lý lưu huỳnh ướt dùng hợp chất chứa canxi (đá vôi – thạch cao), trong khi đó chưa có hệ thống xử lý CO và NOx vì vậy hệ số phát thải của SO2 và bụi nhỏ hơn rất nhiều so với hệ số phát thải của NOx và CO . Điều này cho thấy, các nhà máy sẽ xây dựng trong tương lai nếu chú ý xây dựng hệ thống xử lý khí thải để có thể giảm tối đa mức độ phát thải của chúng.

Ước tính mức độ phát thải của nhà máy

Mức độ phát thải các khí ô nhiễm cũng được xác định trong nghiên cứu này (theo bảng 5) dựa trên các kết quả tính toán về hệ số phát thải kết hợp với giá trị điện năng phát lên lưới. Trong đó:

Lượng điện năng phát lên lưới = Điện năng sản xuất – Điện tự dùng

Điện năng sản xuất = Công suất lắp đặt x Thời gian vận hành [2]

Nghiêm Ngọc Minh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 179 - 183

178

Bảng 4. Một số thông số sử dụng trong tính toán mức độ phát thải các chất

Loại nhà máy

Điện năng tự dùng (%)

Thời gian vận hành (h/năm)

Thời gian vận hành theo hệ số sẵn sàng

(giờ)

Nhiệt điện đốt than

7 6500 6570

Bảng 5. Dự báo phát thải các chất ô nhiễm của

nhà máy năm 2011

Công suất

lắp đặt (MW)

Điện năng phát lên lưới (MWh)

Lượng phát thải trong năm 2011 (tấn)

CO SO2 NOx Bụi

300 2145000 703 208 3477 172

KẾT LUẬN

Hướng nghiên cứu trên là hoàn toàn phù hợp với điều kiện hiện tại ở Việt Nam. Kết quả xác định hệ số phát thải cho thấy đây là thông số có ý nghĩa quan trọng trong ứng dụng đánh giá tổng lượng thải không chỉ áp dụng cho các nhà máy nhiệt điện đốt than mà còn có thể áp dụng cho các hoạt động công nghiệp nói chung trên cả nước. Giá trị này giúp cho việc

phát triển chiến lược kiểm soát khí thải, các cơ quan ban ngành có thể chứng thực tác động ô nhiễm của nguồn, để đưa ra những chính sách kiểm soát môi trường hợp lý.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1]. Bộ KHCN&MT – Cục môi trường, Bảo vệ môi trường trong phát triển ngành điện đến năm 2010, Chủ biên: Đinh Văn Sâm, Hà nội, 11/1996. [2]. Bộ Tài nguyên và Môi trường – Cục Khí tượng thủy văn và biến đổi khí hậu (12/2009). Báo cáo “Nghiên cứu, ước tính hệ số phát thải (EF) của lưới điện Việt Nam cho các năm 2010, 2015, 2020, 2025”. [3]. Trần Ngọc Chấn (2011), Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải tập 3, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [4]. Nguyễn Việt Thắng (2010), Xây dựng bộ hệ số phát thải cho các nguồn dân sinh sử dụng nhiên liệu sinh khối, Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật môi trường, Viện Khoa học và Công nghệ môi trường, Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội. [5]. Tổng sơ đồ Phát triển Điện lực Việt Nam giai đoạn 2006-2005 (TSĐ VI), 5/2006. [6]. US. Enviromental Protection Agency (2002), Compilation of Air Pollutant Emission Factors, AP-42, 5th Ed., Vol.1.

SUMMARY DETERMINATION OF EMISSON FACTORS OF SELECTED AIR PO LLUTANTS FOR QUANG NINH’S COAL FIRED POWER PLANT

Nguyen Thi Thanh Thao∗

College of Technology – TNU

In Vietnam, the coal-fired power plays a very important role in energy production and the development of the economy. However, during the operation, it also created a variety of gases harmful to humans and the environment, especially CO, SO2, NOx, ... This article want to present the results of calculations determine the emission of several pollutants based on empirical research conducted at coal-fired power plants in Quang Ninh. Emission obtained for CO, SO2, NOx and dust 328 (g / MWh), 97 (g / MWh), 1621 (g / MWh), 80 (g / MWh) respectively. According to the values above, the emission of substances in the future be predicted by CO-703 (tons / year), SO2-208 (tons / year), NOx - 3477 (tons / year), dust - 172 (tons / year). Key words: emission factors, pollution, gas waste, dust, coal-fired power.

∗ Tel: 0918 322422

Nghiêm Ngọc Minh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 179 - 183

179

BIỂU HIỆN VÀ TINH SẠCH PROTEIN NỘI ĐỘC TỐ STAPHYLOCOCCAL ENTEROTOXIN (SEB) TRONG CÁC CH ỦNG STAPHYLOCOCCUS AUREUS PHÂN LẬP TỪ CÁC VỤ NGỘ ĐỘC THỰC PHẨM

Nghiêm Ngọc Minh *, Hầu Thị Thu Trang, Nguyễn Thị Hoài Thu

Viện Công nghệ sinh học

TÓM TẮT Độc tố ruột staphylococcal enterotoxin B (SEB) của vi khuẩn Staphylococcus aureus là một trong những nguyên nhân chính gây ngộ độc thực phẩm. Trong nghiên cứu này, với mục đích biểu hiện và tinh sạch protein SEB dạng tự nhiên, chúng tôi đã tiến hành phân lập các chủng S.aureus từ các vụ ngộ độc thực phẩm, tách dòng gen SEB bằng vector tách dòng pJet, thiết kế thành công vector biểu hiện pET21a+ mang gen mã hóa cho kháng nguyên tái tổ hợp SEB dạng tự nhiên có độc tính và biểu hiện trong tế bào vi khuẩn E. coli BL21 (DE3). Các điều kiện để làm tăng khả năng biểu hiện gen SEB cũng đã được nghiên cứu và tối ưu hóa. Cũng trong nghiên cứu này, protein tái tổ hợp SEB được tinh sạch thành công bằng cột Nikel Resin phục vụ làm nguyên liệu tạo SEB tái tổ hợp ở dạng đột biến không có độc tính, làm nguyên liệu cho việc tạo Kit phát hiện nhanh ngộ độc thực phẩm do độc tố tụ cầu vàng ở giai đoạn sau. Từ khóa: Staphylococcus aureus, SEB, protein tái tổ hợp, nội độc tố, ngộ độc thực phẩm.

∗ MỞ ĐẦU

Hiện nay, tình hình ngộ độc thực phẩm có chiều hướng gia tăng cả ở Việt Nam và trên thế giới với hậu quả ngày càng nghiêm trọng, điều đáng quan tâm là một trong số nguyên nhân gây ngộ độc được xác định do vi sinh vật gây ra. Trong đó Staphylococcus aureus là một trong số các vi sinh vật sinh độc tố gây ngộ độc thực phẩm thường xuyên được tìm thấy từ các vụ ngộ độc. Chúng lại có khả năng kháng methiciline, penicillin nên khi gặp điều kiện thuận lợi còn có thể lây lan và gây những căn bệnh nguy hiểm. Điều đáng chú ý ở đây là chúng có khả năng tiết ra một số độc tố bền với nhiệt và khó bị phân hủy ở nhiệt độ cao. Một trong số đó là độc tố ruột staphylococcal enterotoxin B (SEB) là tác nhân chính thường gặp nhất trong các vụ ngộ độc thực phẩm do S. aureus.

Thông thường khi bị lây nhiễm vào cơ thể, SEB sẽ tác động chủ yếu lên các hệ thống vận chuyển ion và nước của ruột, do đó được gọi là enterotoxin (độc tố ruột) [1]. Độc tố ruột SEB được hình thành khi tụ cầu khuẩn S.

∗ Tel: 0988 886930, Email : nghiemminh@ibt.ac.vn

aureus sống trong điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ môi trường gia tăng đột ngột, thiếu oxy, sự mất cân bằng trong áp suất thẩm thấu vv…[5]. Trình tự axit amin của SEB đã được xác định từ năm 1970 [4]. SEB dạng hoạt động trong môi trường ngoài tế bào gồm 239 amino axit trong 1 chuỗi polypeptit đơn, có khối lượng phân tử khoảng 28,336 KDa.

Với tình hình ngộ độc thực phẩm do độc tố được sinh ra từ S. aureus, việc phát triển các công trình nghiên cứu về S. aureus và các độc tố của chúng được rất được lưu ý. Năm 2009, Bùi Thị Mai Hương và cộng sự đã nghiên cứu về tính đa dạng di truyền và độc tố của S.aureus phân lập từ thức ăn chế biến sẵn tại Hà Nội, Việt Nam. Mỗi dạng thực phẩm có chứa các loại độc tố SEs khác nhau, nghiên cứu đã thu thập 212 mẫu thực phẩm, trong đó có 45 mẫu chứa S. aureus [2]. 18 trong 45 chủng đó sở hữu SEB được phát hiển bởi phương pháp phân tích RPLA[2]. Năm 2002, Lee và cs đã nghiên cứu tạo vaccine tiềm năng phòng chống SEB dựa trên việc sử dụng hệ vector từ virus mang gen mã hóa SEB đột biến [6]. Ngoài ra, Năm 1982, Stelma và Bergdoll đã khá thành công trong nghiên cứu

Nghiêm Ngọc Minh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 179 - 183

180

làm giảm độc tính của SEA và SEB bằng cách methyl hóa nhóm carboxyl ở các phân tử histidin trong cấu trúc protein SEB [7]. Công nghệ sinh học hiện đại có khả năng tạo ra các protein tái tổ hợp ứng dụng trong nhiều lĩnh vực trong đó có y sinh học. Biểu hiện gen SEB thành protein tái tổ hợp không độc phục vụ nghiên cứu tạo vaccine cũng được quan tâm nghiên cứu từ khá sớm. Theo đó, việc nghiên cứu phân lập các chủng S. aureus có khả năng sinh độc tố SEB, biểu hiện và tinh sạch protein SEB dạng tự nhiên có độc tính làm nguyên liệu tạo SEB tái tổ hợp ở dạng đột biến không có độc tính, làm nguyên liệu cho việc tạo Kit phát hiện nhanh ngộ độc thực phẩm do độc tố tụ cầu vàng đang được quan tâm.

NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nguyên liệu

Mẫu bệnh phẩm, chủng S. aureus thu thập từ các vụ ngộ độc thực phẩm do Học viện Quân y, Trung tâm y tế dự phòng Thái Nguyên, Viện Pasteur Thành phố Hồ Chí Minh cung cấp.

Quá trình tách dòng và biểu hiện gen SEB sử dụng Vector tách dòng pJet (Fermentas), vector pET21a+ (Novagen). Tế bào vi khuẩn khả biến Escherichia coli chủng DH5α và BL21(DE3).

Môi trường cho vi khuẩn và các loại đệm sử dụng trong nghiên cứu được chuẩn bị theo Sambrook và cs (2001) hoặc theo sự hướng dẫn của nhà sản xuất.

Phương pháp

Phân lập

Vi khuẩn tụ cầu từ các bệnh phẩm được phân lập theo tài liệu hướng dẫn của WHO [8]. Các bệnh phẩm từ các trường hợp ngộ độc thức ăn (chất nôn, thức ăn ô nhiễm) được lấy khoảng 50 – 100g/mẫu. Các mẫu được nghiền đồng nhất trong cối chày sứ vô trùng, sau đó được cấy song song lên hai môi trường: chapman và thạch máu. Các khuẩn lạc có vòng tan máu beta và đổi màu trên môi trường chapman

được lựa chọn và định danh trên máy định danh Biolog.

Tách dòng gen SEB

Gen SEB được nhân lên từ khuôn DNA tổng số tách từ chủng S. aureus đã phân lập với cặp mồi đặc hiệu theo chu trình nhiệt: 95oC – 5 phút, 32 chu kỳ ( 95oC – 1 phút, 56oC – 1 phút, 72oC – 1 phút 45 giây), 72oC – 10 phút và phản ứng kết thúc khi mẫu được làm lạnh đến 10oC. Cặp mồi nhân đoạn gen SEB ngoài trình tự đặc hiệu của gen SEB có thêm trình tự enzyme cắt hạn chế E.coRI (gạch chân) vào mồi xuôi và HindIII (gạch chân) và trình tự mã hóa trình tự poly Histidine (đậm) vào mồi ngược như sau:

SEB-F: 5’GGGGAATTCATGGAGAGTCAACCA 3’

SEB-R: 5’CCCCAAGCTTCAGTGGTGGTGGTG

GTGGTGCTTTTTCTTTG 3’

Sản phẩm tổng hợp gen trên được đưa vào vector tách dòng pJET theo kit tách dòng Gene JETJM PCR Cloning, tạo SEB/pJET. Xác định trình tự gen SEB bằng máy phân tích trình tự tự động ABI PRISM 3100 Avant Genetic Analyzer theo ngyên lý của Sanger với bộ Kit BigDye Terminator v. 3.2 Cycle Sequencing.

Biểu hiện gen SEB

Sản phẩm tổng hợp gen từ vector tách dòng trên và vector biểu hiện pET21a+ được tạo đầu so le bằng hai enzyme hạn chế EcoRI và HindIII, sau đó được ghép nối với nhau bằng enzyme T4 ligase tạo SEB/pET21a+, sản phẩm được biến nạp vào tế bào khả biến E. coli BL21 bằng phương pháp sốc nhiệt của Cohen và đồng tác giả (1972) để nghiên cứu biểu hiện gen.

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Phân lập chủng S. aureus

Từ 10 mẫu thức ăn của các bệnh nhân bị ngộ độc thực phẩm đã phân lập được 04 chủng tụ cầu vàng , ký hiệu là Sa1, Sa2, Sa3, Sa4. Bốn mẫu vi khuẩn được bất hoạt rồi tách DNA tổng số. Kết quả cả 4 mẫu đều thu được lượng DNA đủ lớn cho các nghiên cứu tiếp theo (Bảng 1)

Nghiêm Ngọc Minh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 179 - 183

181

Bảng 1. Kết quả đo OD nồng độ DNA

TT Tên mẫu Nồng độ DNA (ng/µl)

Độ tinh sạch (260/280)

1 Sa1 13,9 1,89

2 Sa2 88,1 1,83

3 Sa3 14,1 1,95

4 Sa4 72,9 1,77

Tách dòng gen SEB

Gen SEB được nhân lên từ khuôn DNA tổng số tách từ chủng S. aureus Sa1 đã phân lập bằng phương pháp PCR với cặp mồi đặc hiệu SEB-F và SEB-R. Kết quả điện di cho thấy đoạn gen SEB thu được có kích thước khoảng 800 bp phù hợp với tính toán lý thuyết khi thiết kế mồi. Đoạn gen được đưa vào vector tách dòng pJET theo quy trình của kit tách dòng Gene JETJM PCR Cloning, tạo SEB/pJET và nhân dòng trong E.coli DH5α. Kết quả của quá trình biến nạp được kiểm tra bằng phương pháp colony PCR và cắt kiểm tra các plasmid bằng enzyme giới hạn. Gen SEB trong plamid SEB/pJET được xác định trình tự nucleotide và so sánh với một số trình tự gen trên NCBI. Kết quả bảng 2 cho thấy trình tự gen SEB tách được có số phần trăm tương đồng khá cao với trình tự gen SEB của các chủng S. aureus trên ngân hàng gen. Điều này cho thấy gen SEB từ chủng S. aureus tự nhiên đã được tách dòng thành công.

Bảng 2. Kết quả so sánh trình tự gen SEB với một số trình tự gen trên NCBI

TT Tên trình tự gen tương đồng với gen SEB

Tỉ lệ tương đồng

1 SEB gen, chủng PM36(Mã số: AB479118.1)

95%

2 SEB gen, chủng PM1(Mã số: AB479117.1)

95%

3 SEB gen, chủng OS7( Mã số: AB479116.1)

95%

4 SEB gen, chủng NN43(Mã số: AB462487.1)

95%

5 SEB gen, chủng CMCC 26075(Mã số:AY856382.1)

95%

Thiết kế vector biểu hiện gen Sản phẩm ghép nối gen SEB trong vector biểu hiện pET21a+ bằng enzyme T4 ligase được biến nạp vào tế bào khả biến E. coli DH5α. Kết quả của quá trình biến nạp được kiểm tra bằng phương pháp clony PCR (Hình 1) và cắt kiểm tra các plasmid bằng enzyme cắt giới hạn (Hình 2). Kết quả điện di cho thấy các băng DNA thu được có kích thước khoảng trên 1kb với sản phẩm clony PCR; 0,8 kb và 5,5 kb, tương ứng kích thước của gen SEB và vector pET21a+ với sản phẩm cắt plasmid. Điểu này chứng tỏ gen SEB đã được gắn thành công vào vector pET21a+.

Hình 1. Clony PCR sản phẩm biến nạp.

M: Marker 1kb

1: Đối chứng –

2 -8: sản phẩm clony PCR từ các dòng khuẩn lạc

Hình 2. Điện di sản phẩm cắt plasmid SEB/pET21a+

M: Marker 1 kb

1: SEB/pET21a+

2: Sản phẩm cắt SEB/pET21a+

Nghiêm Ngọc Minh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 179 - 183

182

Biểu hiện gen SEB trong tế bào E. coli BL21 (DE3)

Plasmid tái tổ hợp chọn dòng trong tế bào khả biến E. coli DH5α được biến nạp vào khả biến E. coli chủng BL21(DE3) bằng phương pháp sốc nhiệt. Khả năng biểu hiện của protein SEB tái tổ hợp trong chủng E. coli BL21(DE3) được khảo sát ở nồng độ IPTG 0,5mM ở 30oC và thu mẫu sau 5 giờ cảm ứng. Kết quả trên hình 3 cho thấy ở các giếng 2 và 3 vi khuẩn BL21(DE3) mang vector biểu hiện SEB/pET21a+ có cảm ứng IPTG xuất hiện một băng protein có trọng lượng khoảng 28 kDa tương ứng với trọng lượng protein SEB theo tính toán lí thuyết.

Hình 3. Điện di so sánh protein tổng số của các tế bào E.coli BL21(DE3) mang gen SEB tái tổ hợp

M: Marker protein

1: Đối chứng âm

2: Dịch phá tế bào

3: Cặn tế bào sau siêu âm phá tế bào

Tối ưu hóa điều kiện biểu hiện gen SEB

Tối ưu nhiệt độ cảm ứng: Chúng tôi đã tiến hành khảo sát khả năng tổng hợp protein SEB tái tổ hợp ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau là 30oC và 37oC với cùng nồng độ chất cảm ứng IPTG 0,5 mM và thu mẫu sau 5 giờ. Đã tối ưu hóa được nhiệt độ cảm ứng là 30oC.

Tối ưu nồng độ chất cảm ứng IPTG: Protein ngoại lai được điều khiển tổng hợp bởi promoter T7 trên vector pET21a+. Promoter này được cảm ứng bởi sự có mặt của IPTG trong môi trường nuôi cấy [3]. Chúng tôi đã tiến hành khảo sát khả năng biểu hiện protein SEB tái tổ hợp ở các nồng độ chất cảm ứng

IPTG khác nhau từ 0,1 - 1 mM (0,1 mM; 0,5 mM và 1 mM) ở 30oC và thu mẫu sau 5 giờ cảm ứng. Kết quả cho thấy nồng độ IPTG tối ưu cho cảm ứng là 0,1mM.

Tối ưu thời gian cảm ứng: Chúng tôi tiến hành khảo sát các thời điểm thu mẫu là 3 giờ, 5 giờ sau khi bổ sung chất cảm ứng IPTG với nồng độ 0,1 mM và nuôi cấy ở 30oC. Kết quả thời gian cảm ứng tối ưu là 5 giờ.

Theo đó, điều kiện tối ưu để cảm ứng biểu hiện protein SEB trong chủng biểu hiện BL21 (DE3) là ở nhiệt độ 30oC, nồng độ chất cảm ứng là 0,1mM sau 5 giờ cảm ứng (Hình 4).

Hình 4. Kết quả tối ưu hóa các điều kiện biểu hiện

gen SEB trong tế bào E. coli BL21 (DE3)

Tinh sạch protein tái tổ hợp SEB

Theo thiết kế vector biểu hiện SEB/pET21a+, khi protein SEB được tổng hợp, nó sẽ nối thêm 6 acid amin Histidin ở phần –COOH. Đây là một đặc điểm thuận lợi cho việc tinh sạch sản phẩm, đồng thời cũng là một tín hiệu để nhận biết sản phẩm được tổng hợp bằng phương pháp Western Blot. Kết quả sản phẩm tinh sạch chỉ có một băng duy nhất với trọng lượng khoảng 28 kDa tương đương trọng lượng của băng biểu hiện trước tinh sạch. Như vậy chúng tôi đã thu được hoàn toàn lượng protein SEB tái tổ hợp tinh sạch.

KẾT LUẬN

Đã phân lập được 04 chủng S. aureus từ các vụ ngộ độc và tách dòng thành công gen mã hóa cho nội độc tố SEB trong vector tách dòng SEB/pJET, vector biểu hiện SEB/pET21a+ và biểu hiện thành công trong chủng E. coli BL21(DE3). Điều kiện tối ưu cho biểu hiện gen SEB trong chủng

Nghiêm Ngọc Minh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 179 - 183

183

BL21(DE3) là 30oC với nồng độ chất cảm ứng là 0,1mM trong thời gian cảm ứng là 5 giờ. Đã tinh sạch thành công protein tái tổ hợp SEB làm nguyên liệu cho việc tạo Kit phát hiện nhanh ngộ độc thực phẩm do độc tố tụ cầu vàng ở giai đoạn sau.

LỜI CÁM ƠN

Công trình được hỗ trợ kinh phí từ đề tài: “Nghiên cứu tạo kháng nguyên tái tổ hợp Staphylococcal enterotoxin B (SEB) phục vụ cho kit phát hiện nhanh ngộ độc thực phẩm do độc tố tụ cầu vàng”, Công trình được thực hiện nhờ trang thiết bị của Phòng Công nghệ sinh học môi trường, Viện Công nghệ Sinh học

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1]. Bruce A. G., Kermit D. H. (2009), CBRNE - Staphylococcal Enterotoxin B,

http://emedicine.medscape.com/article/830715-overview.

[2]. Bui Thi Mai Hương, Zahid Hayat Mahmud (2010), Toxigenicity and genetic diversity of Staphylococcus aureus isolated from Vietnamese ready – to – eat foods,

www.elsevier.com/locate/foodcont

[3]. Đỗ Thị Huyền, Bùi Hồng Vân, Văn Thị Như Ngọc, Trương Văn Dung, Trương Nam Hải (2009), Biểu hiện gen ha5 mã hoá kháng nguyên Hemagglutinin (HA) của virus cúm A/H5N1 trong Escherichia coli, Tạp chí Công nghệ sinh học, 7(2), 185-192. [4]. Huang L. Y., Bergdoll M. S. (1970), The primer structure of staphylococcal enterotoxin B, J. Biol. Chem, 245, 3518-3525.

[5]. Lâm Quốc Hùng (2009), Phòng chống ngộ độc tại Vi ệt Nam năm 2008, dự báo và giải pháp phòng chống ngộ độc thực phẩm năm 2009, Cục an toàn vệ sinh thực phẩm, http://vfa.gov.vn/news.asp?ID=21322.9

[6]. Lee J. S., Dyas B. K., Nystrom S. S., Lind C. M., Smith J. F., Ulrich R. G. (2002), Immune protection against staphylococcal enterotoxin-induced toxic shock by vaccination with Venezuelan equine encephalitis virus replicon, J. Infect. Dis, 185, 1192-1196 [7]. Stelma G. N., Bergdoll M. S. (1982), Inactivation of staphylococcal enterotoxin A by chemical modification, Biochem. Biophys. Res. Commun, 105(1), 121-126.

[8]. Valdepitte J. et al (2003), “Basic laboratory procedures in clinical bacteriology’. WHO. Second edition

SUMMARY OPTIMIZATION OF PROTEIN EXPRESSION POSSIBILITY AND PURIFICATION OF ENTEROTOXIN STAPHYLOCOCCAL ENTE ROTOXIN B (SEB) IN STAPHYLOCCOCUS AUREUS STRAINS ISOLATED FROM FOOD POISONING

Nghiem Ngoc Minh∗, Hau Thi Thu Trang, Nguyen Hoai Thu

Institute of Biotechnology

Staphylococcal enterotoxin B of the bacterium Staphylococcus aureus is one of the most dangerous causes of food poisoning. In this study, for the purpose of expression and purification of protein SEB natural form, we have carried out the isolation, separation of the SEB gene; designed expression of SEB/pET21a+ which carries the coding gene for antigen recombinant SEB at toxic natural form; and were successful in expression in bacterial cells E. coli BL21 (DE3). The conditions for increasing the SEB gene expression has been studied and optimized. Results showed that the recombinant SEB protein was approximately 28 kDa in size and optimal induction conditions is 5 hours at 30oC with 0,1 mM IPTG. Also in this study, the recombinant SEB protein was successfully purified by nickel resin column. The purification product has already served as materials for creating the recombinant SEB protein in non - toxic mutant form, as materials for creating rapid detection of food poisoning by S. aureus Kit in other studies. Key words: Staphylococcus aureus, SEB, recombinant protein, enterotoxin, foods poisoning.

∗ Tel: 0988 886930, Email : nghiemminh@ibt.ac.vn

Nghiêm Ngọc Minh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 179 - 183

184

Nguyễn Thị Thúy Hiên Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 185 - 189

185

NGHIÊN CỨU THỰC TRẠNG CÔNG TÁC THI ẾT KẾ XÂY DỰNG Ở VIỆT NAM VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THI CÔNG HI ỆN ĐẠI TRONG CÔNG TÁC THI ẾT KẾ XÂY DỰNG

Nguyễn Thị Thuý Hiên*

Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT Bài báo nghiên cứu vai trò quan trọng của thiết kế trong hoạt động đầu tư xây dựng; phân tích thực trạng của công tác thiết kế ở Việt Nam. Từ đó, tác giả đề xuất giải pháp kích thích ứng dụng công nghệ thi công hiện đại trong công tác thiết kế xây dựng. Giải pháp này được thực hiện sẽ rút ngắn thời gian thi công, giảm chi phí xây dựng, đảm bảo chất lượng công trình xây dựng đồng thời nâng cao được chất lượng sản phẩm thiết kế. Điều này sẽ tạo động lực cho các tổ chức tư vấn tìm tòi, sáng tạo, đổi mới sản phẩm thiết kế của mình, tăng năng lực cạnh tranh của các doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực xây dựng trong nước. Từ khóa: công nghệ thi công hiện đại, thời gian, giá thành, chất lượng, công trình xây dựng.

∗ TỔNG QUAN

Thiết kế công trình xây dựng là một khâu quan trọng quyết định đến chất lượng và chi phí xây dựng công trình. Giải pháp thiết kế - về cơ bản đã phác hoạ công trình xây dựng sẽ được hình thành và phương án, biện pháp thi công sẽ được sử dụng trong quá trình thi công xây lắp.

Thời gian qua, ngành Xây dựng Việt Nam đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng góp phần vào sự phát triển chung của kinh tế đất nước. Trong quá trình phát triển đó, vai trò của Khoa học - công nghệ trong xây dựng là không thể phủ nhận. Các biện pháp công nghệ mới ra đời mang nhiều đặc điểm ưu việt và có tính ứng dụng cao trong thực tế. Công nghệ xây dựng mới góp phần quan trọng trong việc tiết kiệm chi phí xây dựng và tăng hiệu quả đầu tư cho dự án xây dựng.

Thiết kế xây dựng là khâu quan trọng hàng đầu trong hoạt động đầu tư xây dựng cơ bản, nó có vai trò quan trọng quyết định hiệu quả kinh tế - xã hội của dự án đầu tư trong quá trình xây dựng cũng như vận hành dự án. Thiết kế xây dựng cơ bản phác hoạ được quá trình xây dựng và quá trình vận hành dự án.

∗ Tel:0982 994286 * Email: nthien.tnut@gmail.com

VAI TRÒ CỦA THIẾT KẾ TRONG HOẠT ĐỘNG ĐẦU TƯ XÂY DỰNG

Trong quá trình thực hiện đầu tư xây dựng công trình, giai đoạn thiết kế tiêu hao lượng chi phí là rất nhỏ so với lượng vốn đầu tư xây dựng nhưng lại là giai đoạn tập trung hàm lượng chất xám lớn trong sản phẩm thiết kế. Mức độ ảnh hưởng của giai đoạn thiết kế đến toàn bộ hoạt động xây dựng là rất lớn và kéo dài đến suốt tuổi thọ công trình.

Giải pháp thiết kế có chất lượng tốt nhất là giải pháp thiết kế tập hợp những tính chất của công trình thể hiện mức độ thoả mãn những nhu cầu sử dụng với một chi phí hợp lý nhất. Mối quan hệ giữa chất lượng và chi phí xây dựng được thể hiện qua biểu đồ sau:

Hình 1. Mối quan hệ giữa chất lượng & chi phí

Q: Chất lượng; FT: Tổng chi phí; FX: Chi phí XDCT; F: Chi phí; QOP & FOP: Chất lượng và chi phí tối ưu; FKX: Chi phí kiểm soát chất lượng trong quá trình thiết kế.

Nguyễn Thị Thúy Hiên Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 185 - 189

186

Các chỉ tiêu về giá trị sử dụng đặc trưng cho chất lượng của công trình, có thể kể đến là các chỉ tiêu về công suất, tuổi thọ, độ chống ăn mòn, chống động đất, chống gió bão, cách âm, cách nhiệt, khả năng chống ẩm, điều kiện vi khí hậu trong nhà, tiện nghi trong sử dụng hoặc dễ dàng trong vận hành, tính công nghệ, mức độ kỹ thuật công nghệ hiện đại, cải thiện an toàn lao động, thân thiện môi trường… Ảnh hưởng của giải pháp thiết kế đến chi phí xây dựng công trình được thể hiện qua biểu đồ hình 2.

Hình 2 trên đánh gía tầm quan trọng của giải pháp thiết kế theo chỉ tiêu hiệu quả đầu tư ở các giai đoạn khác nhau của dự án. Biểu đồ cho thấy tầm quan trọng trong việc ra quyết định ở bước thiết kế cơ sở đến hiệu quả kinh tế của dự án, các phương án thiết kế trong giai đoạn này quyết định 50-60% tới giá trị công trình.

THỰC TRẠNG CÔNG TÁC THIẾT KẾ Ở VIỆT NAM THỜI GIAN QUA

Trong thời gian qua, cùng với sự phát triển của ngành xây dựng, các đồ án thiết kế đã đạt được những thành quả tốt đẹp, tiến một bước tiến dài trong quá trình tự chủ và cơ bản tạo được những diện mạo công trình xây dựng đẹp về thẩm mỹ, bền vững về kết cấu và có quy mô ngày càng lớn. Bên cạnh những thành quả đã đạt được, thời gian qua công tác thiết kế công trình xây dựng mà sản phẩm là các đồ án thiết kế công trình còn tồn tại một số nhược điểm làm ảnh hưởng lớn đến hiệu quả của hoạt động đầu tư xây dựng công trình.

Việc tiếp cận khoa học - công nghệ trong khâu thiết kế còn chậm

Do việc tiếp cận và chuyển giao công nghệ mới trong khâu thiết kế còn hạn chế, các đồ án thiết kế chưa chú trọng ứng dụng công nghệ mới trong các giải pháp thi công xây dựng công trình. Việc lựa chọn biện pháp công nghệ mới ngay từ bước thiết kế có ý nghĩa quan trọng trong việc hoạch định và quản lý chi phí đầu tư xây dựng ở các giai đoạn sau. Việc đưa ra các giải pháp công nghệ mới trong công tác thiết kế còn giúp cho chủ đầu tư có nhiều cơ hội có được sản phẩm thiết kế tốt nhất.

Thiết kế chưa coi trọng hiệu quả kinh tế của dự án

Các đồ án thiết kế chưa coi trọng hiệu quả đầu tư xây dựng bởi vì lợi ích kinh tế của Chủ đầu tư không gắn liền với lợi nhuận của tổ chức tư vấn. Vì thế, khi giá thành công trình giảm thì giá trị thiết kế phí cũng giảm theo. Trong trường hợp phải giảm giá thành công trình theo yêu cầu của chủ đầu tư, tư vấn thiết kế sẽ thay đổi chi phí trực tiếp. Việc thay thế biện pháp công nghệ để tiết kiệm chi phí còn chưa được quan tâm đúng mức.

Việc tăng chi phí xây lắp còn giúp tăng khoản thiết kế phí mà bộ phận tư vấn thiết kế được hưởng do đó không tạo động lực thúc đẩy bộ phận thiết kế tìm tòi ứng dụng công nghệ mới trong khi biện pháp hiệu quả hơn có thể làm giảm giá trị thiết kế phí.

Hình 2. Mức độ ảnh hưởng của việc ra quyết định ở các giai đoạn tới chi phí công trình

Trong đó: 0 – T1: Giai đoạn lập dự án đầu tư & thiết kế kỹ thuật ;T1 – T2: Giai đoạn thiết kế chi tiết T 2– T3: Giai đoạn thi công xây dựng ; T3 – T: Giai đoạn vận hành công trình

Nguyễn Thị Thúy Hiên Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 185 - 189

187

Bảng 1. So sánh thiết kế phí trong hai phương án công nghệ xây dựng khác nhau

TT Chỉ tiêu so sánh Phương án 1 Phương án 2 Mức chênh lệch

1 Giá trị xây lắp trước thuế 500 tỷ 550 tỷ +10%

2 Định mức chi phí thiết kế theo CV1751/BXD

1,27% 1,246%

3 Giá trị thiết kế phí 6,35 tỷ 6,853 tỷ +8%

Các đồ án thiết kế xây dựng công trình, nhất là các dự án sử dụng vốn ngân sách Nhà nước còn xảy ra nhiều thất thoát lãng phí. Bộ phận tư vấn thiết kế công trình không gắn liền quyền lợi của mình với quyền lợi của chủ đầu tư, việc tiết kiệm chi phí đầu tư xây dựng không tạo ra lợi ích gì cho họ. Việc giá trị đầu tư xây dựng cao còn làm cho chi phí thiết kế tăng lên (do chi phí thiết kế tính theo % giá trị xây lắp). Lấy ví dụ với một công trình dân dụng có thiết kế ba bước, với hai phương án thiết kế có giá trị xây lắp khác nhau (Bảng 1).

Theo số liệu bảng 1 thì có thể thấy việc tăng giá trị đầu tư xây dựng 10% cũng làm tăng giá trị thiết kế phí 8%. Chính vì thế, phương án thiết kế tiết kiệm chi phí đầu tư xây dựng lại làm giảm giá trị mà tư vấn thiết kế được hưởng. Đây cũng là điểm bất cập trong việc quy định chi phí thiết kế phí theo % giá trị xây lắp công trình xây dựng.

Chi phí thiết kế tính theo % giá trị xây lắp như hiện tại chưa tác động đến việc thúc đẩy nâng cao hiệu quả kinh tế của giải pháp thiết kế. Bộ phận tư vấn thiết kế tiến hành việc thiết kế xây dựng mà không quan tâm đến việc phương án thiết kế đó có mang lại hiệu quả kinh tế tốt nhất cho chủ đầu tư hay không. Việc tiết kiệm chi phí đầu tư xây dựng không gắn liền với quyền lợi của người thiết kế, vì vậy họ không có động lực tìm tòi sáng tạo trong sản phẩm thiết kế để tăng chất lượng sản phẩm.

GIẢI PHÁP KÍCH THÍCH ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THI CÔNG HIỆN ĐẠI NGAY TỪ KHÂU THIẾT KẾ

Các nguyên tắc quản lý Nhà nước đã quy định việc các bước thiết kế sau phải tuân thủ bước thiết kế trước, quá trình thi công xây dựng phải căn cứ vào hồ sơ thiết kế được duyệt. Vì

vậy, nếu chỉ cải tiến và ứng dụng công nghệ mới trong giai đoạn thi công xây dựng thì chưa thể tạo ra một chất lượng đồng bộ và đạt đến hiệu quả kinh tế, hiệu quả sử dụng cao nhất của dự án. Việc đưa các giải pháp công nghệ xây dựng vào nội dung thiết kế sẽ nâng cao hiệu quả kinh tế, rút ngắn thời gian thi công.

Khi so sánh hai phương án kết cấu sàn bê tông cốt thép truyền thống và Speedy deck thì với cùng phương án móng như thực tế, toà nhà 34 tầng, khu chung cư Trung Hoà - Nhân Chính sẽ chịu được 50 tầng do kết cấu sàn Speedy deck nhẹ hơn, ngoài ra còn có khả năng thi công nhanh gấp hàng chục lần so với sàn truyền thống. Nghiên cứu cho thấy, nếu kết cấu sàn nhẹ Speedy deck được đưa vào ở giải pháp thiết kế có thể mang lại lợi nhuận gấp nhiều lần cho chủ đầu tư do số tầng nhà được tăng thêm hoặc giảm được chi phí xây dựng móng công trình và rút ngắn thời gian thi công kết cấu do giảm thời gian chờ bê tông sàn đông kết và xoá bỏ công tác lắp dựng, tháo dỡ ván khuôn sàn.

Công nghệ sàn mới có thể làm thay đổi đáng kể giải pháp thiết kế do thay đổi toàn bộ tải trọng và sơ đồ chịu lực của công trình xây dựng. Tại công trình số 109 đường Trường Chinh với 500m2 sàn speedy deck. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi chất tải đến 400 kg/m2 (mức tối đa cho nhà dân dụng) độ võng của chiều dài nhịp 4 mét chỉ là 1/11.000. Tức là Speedy deck vượt tiêu chuẩn khắt khe nhất 11 lần. Sau cùng, nhờ kết cấu rỗng, Speedy deck làm giảm 20 - 30% trọng lượng bê tông. Nhờ vậy, với cùng một cấu trúc móng, cứ 2 tầng nhà xây theo cách truyền thống thì tương đương với sức nặng của 3 tầng nhà xây bằng Speedy deck.

Nguyễn Thị Thúy Hiên Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 185 - 189

188

Bảng 2. Bảng so sánh thiết kế phí hai phương án kết cấu công trình nhà 17 tầng khu Trung Hoà-Nhân Chính

TT Các phương án thiết kế Chi phí xây dựng

(tr. đồng) Định mức

thiết kế phí (%) Thiết kế phí

(tr.đồng)

1 Bê tông đổ tại chỗ 86.000 2,36% 2.029,6 2 Bê tông dự ứng lực trước tiền chế 81.500 2,38% 1.941,7 Hiệu quả SD vốn 4.500 87,9

Tính theo % 5,2% 4,3%

KHUYẾN KHÍCH ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ MỚI TRONG XÂY DỰNG

TT Công nghệ mới Ưu điểm của biện pháp

1

Công nghệ cọc đóng bằng máy ép ôm sử dụng bê tông dự ứng lực trước tiền chế

- Tổng chi phí thi công theo phương án này giảm từ 15-30% so với phương án cọc khoan nhồi. - Có thiết bị để điều chỉnh máy di chuyển đến vị trí mới của đài cọc cần ép một cách chính xác mà không cần phải dỡ tải và chất tải. Thời gian thi công được rút ngắn 5 lần so với ép cọc truyền thống. - Không gây ô nhiễm, không có tiếng ồn như các phương án đóng cọc. - Tiến hành ép cọc theo các tham số lực ép từ đồng hồ đo trên máy tính, cung cấp thông số kỹ thuật tin cậy trong quá trình thi công và kiểm tra. - Khả năng ép liên tục tốt, nối cọc dễ dàng, hiệu quả cao hơn.

2

Công nghệ cọc ống bê tông ly tâm ứng suất trước

- Giảm hàm lượng thép nhờ sử dụng thép ứng suất trước (ƯST), cường độ thép và mác bê tông cao. - Chất lượng cao do kháng nứt, chống xâm thực tốt, trọng lượng riêng nhẹ dễ thi công và hạ giá thành sản phẩm. - Năng suất cao do được công xưởng hoá, giảm thời gian thi công. - Giá thành hạ từ 30-50% so với phương án cọc khoan nhồi, đáp ứng được các công trình lớn.

3 Tấm bê tông 3D chịu lực đúc sẵn

Một m2 tường bằng tấm 3D dày 10cm hoàn thiện nặng 85 - 90kg (tường gạch truyền thống 160 - 190kg), sàn dày 10cm nặng 150kg (sàn bê tông truyền thống nặng 230kg). Như vậy công trình bằng tấm 3D chỉ nặng bằng khoảng 60% so với công trình tương tự xây bằng vật liệu truyền thống. Do đó tấm 3D thích hợp khi thi công trên nền đất yếu, cải tạo nhà cũ với chi phí gia cố móng tối thiểu, thuận tiện thi công ở vùng sâu, xa, trong hẻm hoặc đưa lên cao. Về chi phí, có thể giảm 10 - 20% chi phí thi công phần thô vì rút ngắn 30% thời gian thi công, tiết kiệm chi phí nhân công, cốp-pha, cây chống.

4 Công nghệ bê tông ứng lực trước tiền chế

- Giảm độ dày lõi cứng trong thi công nhà cao tầng mang lại hiệu quả kinh tế lớn. - Sử dụng sàn tiền chế ứng lực trước làm giảm thời gian thi công và tiết kiệm coppha đà giáo.

5 Công nghệ thi công top - down

- Mặt bằng thi công không cần lớn. Tiết kiệm được chi phí làm tường chắn đất độc lập. - Đẩy nhanh tiến độ thi công: khi đang làm móng và tầng hầm vẫn có thể đồng thời làm phần trên - Sau khi đã thi công sàn tầng trệt, có thể tách hoàn toàn việc thi công phần thân và thi công phần ngầm mà không làm kéo dài thời gian thi công. - Không tốn hệ thống giáo chống, copha cho kết cấu dầm sàn vì thi công trên mặt đất. (đối với phương pháp đào truyền thống thì chi phí cho công tác chống đỡ và neo khá cao, kéo dài thi công và đòi hỏi các thiết bị tiên tiến.) . Các vấn đề về móng (hiện tượng bùn nền, nước ngầm...), có một điểm lưu ý ở đây là trong đô thị thường có nhiều công trình cao tầng, nếu thi công đào mở (open cut) có tường vây, móng sâu và phải hạ mực nước ngầm để thi công phần ngầm, điều này dẫn đến việc thường không đảm bảo cho các công trình cao tầng kề bên (dễ xảy ra hiện tượng trượt mái đào, lún nứt...), phương án thi công Top-down giải quyết được vấn đề này.

Nguyễn Thị Thúy Hiên Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 185 - 189

189

Mặt khác, do không cần dùng gỗ kê chèn và tốn nhân công đổ mái, mỗi mét vuông kiểu sàn mới rẻ hơn khoảng 300.000 đồng/m2 so với cách thông thường. Các giải pháp công nghệ mới mang lại hiệu quả rõ rệt trong xây dựng các toà nhà cao ốc, các khu chung cư, khách sạn vv...

Với công trình nhà 17 tầng khu Trung Hoà – Nhân Chính, tổng diện tích sàn 18.700m2. Nếu thay đổi giải pháp kết cấu từ sử dụng bê tông đổ tại chỗ sang giải pháp sử dụng bê tông ứng lực trước tiền chế có thể tăng cường độ bê tông với công nghệ ván khuôn trượt đem lại hiệu quả kinh tế cao. Phương án này giảm được vật liệu và các chi phí trên công trường làm giảm giá thành, Giá trị dự toán phần kết cấu giảm từ 86 tỷ còn 81,5 tỷ ,tiết kiệm riêng phần thô so với thiết kế đổ tại chỗ được 4,5 tỷ đồng.

KẾT LUẬN Bài báo đánh giá sơ bộ công tác thiết kế xây dựng ở Việt Nam trong thời gian qua đồng thời kích thích ứng dụng một số công nghệ xây dựng mới mang nhiều đặc điểm tiến bộ và có hiệu quả kinh tế cao, giảm chi phí xây dựng và rút ngắn thời gian thi công xây dựng công trình.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO [1]. PGS.TS. Lê Kiều (2002), Bài giảng Công nghệ xây dựng đương đại, Bộ Xây dựng. [2]. Viện Kinh tế xây dựng, Bộ Xây dựng, Báo cáo kết quả dự án sự nghiệp kinh tế (2007)« Điều tra khảo sát thực trạng việc xác định chi phí đầu tư xây dựng công trình theo các yếu tố khoản mục chi phí trong thời gian vừa qua... », . [3]. Bộ Xây dựng (2007), Công nghệ mới xây dựng nhà và công trình trên thế giới [4]. http://www.moc.gov.vn, Website cổng thông tin điện tử Bộ Xây dựng [5]. http://www.ibst.vn,Website Viện Khoa học công nghệ xây dựng.

SUMMARY THE PRESENT STATE OF CONSTRUCTION DESIGN IN VIETNAM AND THE SOLUTION PROPOSAL FOR APPLICATION OF MODERN CONSTRUCTION TECHNOLOGY TO CONSTRUCTION DESIGN

Nguyen Thi Thuy Hien∗

College of Technology - TNU

This paper studied the important role of design in construction activities; analyzed the state of the construction design in Viet Nam. The author propose solutions to stimulate the application of modern construction technologies in the building design. This solution will be made to shorten the construction period and construction costs, ensure construction quality and improve the quality of the product designed. This will motivate organizations to explore consulting, creative and innovative design of their products, increase the competitiveness of businesses operating in the domestic construction sector. Key words: modern construction technology, time, cost, quality, constructions.

∗ Tel: 0982 994286, Email: nthien.tnut@gmail.com

Nguyễn Thị Thúy Hiên Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 185 - 189

190

Phan Thị Thu Hằng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 191 - 194

191

SỬ DỤNG BÈO TÂY (Echihornia crassipes) LÀM SẠCH NƯỚC BỊ Ô NHIỄM Pb, Cd, As TẠI THÁI NGUYÊN

Phan Thị Thu Hằng*, Nguyễn Thị Minh Hu ệ

Trường Đại học Nông Lâm – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT Sử dụng bèo tây trong việc giảm thiểu ô nhiễm kim loại nặng (Pb, Cd, As) trong môi trường nước khi bổ sung kim loại nặng vào nước theo các mức: 2,0 ppm Pb, 0,1ppm Cd và 0,5 ppm As trong chậu thí nghiệm. Kiểm tra hàm lượng các kim loại trong nước sau 5 - 10 - 20- 30 ngày thí nghiệm trồng bèo tây, kết quả cho thấy bèo tây có khả năng tích lũy kim loại nặng rất tốt. Và sau 20- 30 ngày, tỷ lệ làm sạch của bèo tây với các kim loại nặng (Pb, Cd, As) hầu hết đều đạt 90 - 95%. Khả năng làm sạch nước bị ô nhiễm Pb và Cd của bèo tây nhanh hơn với nước ô nhiễm As. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy, trong khi bèo tây sinh trưởng rất tốt trong nước bị ô nhiễm Pb và Cd thì trong nước bị ô nhiễm 0,5ppm As, bèo tây có biểu hiện bị chết bắt đầu từ ngày thứ 8 sau trồng và đến ngày thứ 25 tỷ lệ bèo tây bị bệnh khoảng 70%, điều này cho thấy có thể sử dụng bèo tây như một chỉ thị phát hiện ô nhiễm As trong nước. Từ khoá: Bèo tây, kim loại nặng, tích luỹ, nước ô nhiễm, dung dịch.

∗ ĐẶT VẤN ĐỀ

Nước là nguồn tài nguyên vô tận, giữ một vai trò quan trọng trong quá trình hình thành và phát triển sinh quyển - Không thể có sự sống khi không có nước. Nước đóng vai trò quan trọng trong sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, trong đời sống dân sinh..…

Ngày nay, do sự phát triển công nghiệp, cùng với quá trình đô thị hoá đã kèm theo sự gia tăng của nước thải đổ vào các lưu vực nơi mà con người đã dùng nước để sinh hoạt và ăn uống, và sản xuất. Trước hiện tượng ô nhiễm nước đang diễn ra ngày càng trầm trọng như hiện nay, các nhà khoa học đã tiến hành các nghiên cứu để bảo vệ nguồn tài nguyên quan trọng của trái đất. Hiện nay các phương pháp giảm thiểu ô nhiễm khá phong phú như các phương pháp kết tủa, sa lắng, hấp phụ, trao đổi iôn, chiết, trong đó phương pháp sử dụng thực vật (Phytoremediation) để làm sạch nguồn nước được coi là phương pháp ưu việt. Sử dụng bèo tây trong việc xử lý ô nhiễm đã được rất nhiều các tác giả trong và ngoài nước nghiên cứu. Bèo tây là cây sống ở nước, có tốc độ sinh trưởng rất nhanh và không cần

∗ Tel: 0912 430378

phải chăm sóc nên sử dụng bèo tây để xử lý ô nhiễm nước có thể thực hiện được dễ dàng trong điều kiện nông hộ.

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu mức độ làm sạch nước bị ô nhiễm Pb, Cd, As của bèo tây.

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Các thí nghiệm: Bèo tây được nuôi trong môi trường nước tưới chứa các kim loại nặng Pb, Cd, As theo nồng độ lựa chọn:

1. Nước tưới chứa 2,0 ppm Pb

2. Nước tưới chứa 0,1 ppm Cd

3. Nước tưới chứa 0,5 ppm As

4. Nước tưới chứa 2,0 ppm Pb + 0,1ppm Cd + 0,5ppm As

Tiến hành kiểm tra hàm lượng các kim loại nặng Pb, Cd, As trong nước sau khi thả bèo 5 - 10 - 20 - 30 ngày.

Chỉ tiêu phân tích: Pb, Cd, As trong nước

Phương pháp phân tích: Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử.

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Khả năng hạn chế ô nhiễm Pb trong nước của bèo tây

Tiến hành sử dụng nước chứa 2,0 Pb mg/l để thả bèo tây cho thấy:

Phan Thị Thu Hằng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 191 - 194

192

Theo bảng 1: Trong điều kiện thí nghiệm chậu vại, hàm lượng Pb trong nước giảm dần theo thời gian xử lý bằng bèo tây, cụ thể:

Khi chưa có bèo tây, hàm lượng Pb trong nước là 2,004 mg/l.

Sau 5 ngày thả bèo tây, hàm lượng Pb trong nước là 1,280 mg/l, giảm được 36%. Bảng 1. Hàm lượng Pb trong nước theo thời gian

khi xử lý bằng bèo tây

Ngày thí nghiệm

Hàm lượng Pb trong nước

(mg/l)

Tỷ lệ còn lại trong dung dịch (%)

0 2,004 100

5 1,280 63,9

10 0,006 0,30

20 0,002 0,10

30 KXĐ -

TCVN 6773-2000

0,1

(Thí nghiệm trong chậu)

Và đến ngày thứ 10 của thí nghiệm, hàm lượng Pb trong nước giảm mạnh là 0,006 mg/l, đạt tỷ lệ làm sạch gần 100% so ban đầu.

Khả năng hạn chế ô nhiễm Cd trong nước của bèo tây

Tiến hành thí nghiệm thả bèo tây trong dung dịch chứa 0,1 mg/l Cd, qua 4 đợt theo dõi hàm lượng Cd trong nước, kết quả cho thấy (bảng 2). Bảng 2. Hàm lượng Cd trong nước theo thời gian

khi xử lý bằng bèo tây

Ngày thí nghiệm

Hàm lượng Cd trong nước

(mg/l)

Tỷ lệ còn lại trong dung dịch (%)

0 0,1104 100

10 0,0530 48,0

20 0,0002 0,18

30 KXĐ -

TCVN 6773-2000

0,01

(Thí nghiệm trong chậu)

Hàm lượng Cd trong nước trước thí nghiệm là 1,1104 mg/l. Ở ngày thứ 5 của thí nghiệm, hàm lượng Cd trong nước là 0,053 mg/l, đạt tỷ lệ làm sạch là 52% và sau 10 ngày thí nghiệm thì hàm lượng Cd trong nước giảm

hẳn xuống dưới ngưỡng an toàn, đạt 0,0002 mg/l, tỷ lệ còn lại trong dung dịch là 0,18% so với trước thí nghiệm.

Khả năng hạn chế ô nhiễm As trong nước của bèo tây

Thực hiện thí nghiệm tương tự như với Pb và Cd, tiến hành trồng bèo tây trong dung dịch chứa 0,5mg As/l, và theo dõi hàm lượng As trong dung dịch dùng thả bèo qua 5, 10, 20, 30 ngày thí nghiệm, kết quả thể hiện ở bảng 3.

Bảng 3. Hàm lượng As trong nước theo thời gian khi xử lý bằng bèo tây

Ngày thí nghiệm

Hàm lượng As trong nước

(ppm)

Tỷ lệ còn lại trong dung dịch (%)

0 0,5326 100

5 0,4281 80,4

10 0,3340 62,7

20 0,1204 22,6

30 0,0928 17,4

TCVN 6773-2000 0,1

(Thí nghiệm trong chậu)

Hàm lượng As trong nước lúc ban đầu khi chưa thả bèo là 0,5326 mg/l, sau 5 ngày thí nghiệm hàm lượng As là 0,4281 mg/l (còn 80,4% so với ban đầu), đến ngày thứ 10 của thí nghiệm, hàm lượng As là 0,3340 mg/l (còn 62,7% so với ban đầu), đến ngày thứ 20 của thí nghiệm hàm lượng As trong nước có xu hướng giảm mạnh hơn 0,1204 mg/l (còn 22% so với ban đầu) và phải đến ngày thứ 30 của thí nghiệm thì hàm lượng As trong nước mới giảm hẳn xuống dưới ngưỡng an toàn, đạt 0,0928 mg/l. Kết quả của thí nghiệm cũng chỉ ra rằng, so với Pb và Cd, sự hấp thu As của bèo tây trong nước chậm hơn. Với Pb, Cd chỉ sau 10 ngày thả bèo hàm lượng Pb, Cd trong nước đã đạt ngưỡng an toàn, trong khi đó với As, hàm lượng As đạt ngưỡng an toàn sau 20 ngày của thí nghiệm Một sự khác biệt nữa, trong khi bèo tây sinh trưởng rất tốt trong dung dịch ô nhiễm Pb và Cd nhưng lại có biểu hiện bị chết khi trồng trong dung dịch bị ô nhiễm As, kể cả trong dung dịch chứa As cùng với Pb, Cd.

Phan Thị Thu Hằng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 191 - 194

193

Hình 1. Sự biến thiên hàm lượng Pb, Cd, As trong nước theo thời gian xử lý bằng bèo tây

Hình 2. Thí nghiệm làm sạch nước ô nhiễm Pb, Cd bằng bèo tây

Hình 3. Thí nghiệm làm sạch nước ô nhiễm As bằng bèo tây

Qua theo dõi thí nghiệm cho thấy bắt đầu từ ngày thứ 8 khi trồng, bèo tây có biểu hiện rõ rệt hiện tượng lá bị úa vàng và dần khô lại từ mép lá đến cuống và đến ngày thứ 25 của thí nghiệm tỷ lệ bị bệnh đến 70% (Hình 2, 3).

Khả năng hạn chế ô nhiễm Pb, Cd, As trong nước của bèo tây Thí nghiệm trồng bèo tây trong dung dịch chứa 2,0ppm Pb + 0,1ppm Cd + 0,5ppm As cũng cho kết quả giống như các thí nghiệm trồng bèo trong dung dịch bị ô nhiễm riêng lẻ các nguyên tố (bảng 4)

Phan Thị Thu Hằng và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 191 - 194

194

Bảng 4. Hàm lượng Pb, Cd, As trong nước theo thời gian khi xử lý bằng bèo tây

Ngày thí nghiệm

Hàm lượng trong nước (ppm) Pb Cd As

0 2,005 0,105 0,529

5 1,347 0,0483 0,382

10 0,004 0,0082 0,206

20 0,004 0,004 0,182

30 - 0,003 0,136

TCVN 6773 - 2000 0,1 0,01 0,1

(Thí nghiệm trong chậu)

Theo bảng 4.04: Sau 10 ngày thí nghiệm, hàm lượng Pb, Cd trong dung dịch trồng bèo tây đạt dưới ngưỡng an toàn (Pb = 0,004 mg/l; Cd = 0,0082 mg/l), còn sau 20 ngày thí nghiệm thì hàm lượng As trong nước là 0,182 mg/l, đạt tiêu chuẩn cho phép. Và sau 30 ngày, tỷ lệ làm sạch của bèo tây với các kim loại nặng (Pb, Cd, As) hầu hết đều đạt 90 - 95%.

KẾT LUẬN

Như vậy, bèo tây là một loài thực vật có khả năng làm sạch nước tưới bị ô nhiễm kim loại nặng (Pb, Cd, As) rất tốt, chỉ sau 10 - 20 ngày

sau khi xử lý hàm lượng Pb, Cd, As trong nước đã đạt TCVN 6773 - 2000.

Biện pháp xử lý ô nhiễm bằng bèo tây có ý nghĩa rất lớn về mặt môi trường, đây là một giải pháp hữu hiệu góp phần xử lý ô nhiễm kim loại nặng với chi phí thấp và có thể áp dụng rất dễ dàng trong điều kiện sản xuất của nông hộ.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1]. Nguyễn Quốc Thông, Đặng Đình Kim, Trần Văn Tựa, Lê Lan Anh (1999), Khả năng tích tụ kim loại nặng Cr, Ni và Zn của bèo tây trong xử lý nước thải công nghiệp, Báo cáo khoa học Hội nghị công nghệ sinh học toàn quốc, Hà Nội 9,10/12/1999, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật , page 983- 988 . [2]. Kathryn Vander Weele Snyder (2006), Removal of Arsenic from Drinking Water by Water Hyacinths (Eichhornia crassipes), Water Environment Federation. [3]. Misbahuddin, M.; Fariduddin, A. (2002) Water Hyacinth Removes Arsenic from Arsenic- Contaminated Drinking Water [electronic version]. Arch. Environ. Health, 57 (6), 516– 519.

SUMMARY USING WATER HYACINTH SPECIES ( Echihornia crassipes) FOR CLEANING POLLUTED WATER WITH Pb, Cd, As IN THAINGUYEN

Phan Thi Thu Hang∗, Nguyen Thi Minh Hue

Thai Nguyen University of Agriculture and Forestry

Use of water hyacinth in reducing heavy metal pollution (Pb, Cd, As) in water, when adding heavy metals in water levels: 2.0 ppm Pb, 0.1 and 0.5 ppm Cd ppm As in pot experiments. Check the heavy metal content in water after 5 - 10 - 20 - 30 days in water hyacinth experiments, the results showed that water hyacinth has the ability to accumulate heavy metals very well. And after 20 to 30 days, the rate of cleaning of water hyacinth with heavy metals (Pb, Cd, As) almost reached from 90 to 95%. The ability to purify water contaminated by Pb and Cd in water hyacinth pollution faster than As. Research results also showed that, while water hyacinth grow very well in water contaminated with Pb and Cd in contaminated water that is 0.5 ppm As, water hyacinth signs of death starting 8 days after planting and by day 25 the rate of water hyacinth diseased about 70%, indicating that water hyacinth can be used as an indicator to detect pollution with As in water. Key words: water hyacinth, heavy metals, accumulation, polluted water, solution.

∗ Tel: 0912 430378

Lê Thị Huyền Linh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 195 - 200

195

MỘT PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG ĐIỀU KHI ỂN DỰ BÁO DỰA TRÊN MÔ HÌNH GAUSS

Lê Thị Huyền Linh *, Nguyễn Thị Mai Hương

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT

Mô hình Gauss cung cấp một mô hình xác xuất không tham số cho việc nhận dạng mô hình hộp đen phi tuyến. Mô hình Gauss có thể xác định các khu vực không gian đầu vào có chất lượng dự báo kém (do thiếu dữ liệu hoặc quá phức tạp) bằng cách chỉ ra những phương sai cao hơn lân cận giá trị trung bình dự đoán. Khi sử dụng mô hình Gauss chỉ cần rất ít tham số để đạt được sự tối ưu. Bài báo này giới thiệu khả năng áp dụng của mô hình Gauss trong điều khiển dự báo. Phương pháp này được ứng dụng trong việc điều khiển quá trình trung hòa độ pH. Từ khóa: Mô hình Gauss, Mô hình điều khiển dự báo, Mô hình xác xuất không tham số.

∗ ĐẶT VẤN ĐỀ

Model Predictive Control (MPC) là thuật toán điều khiển sử dụng mô hình tường minh để dự đoán đối tượng đáp ứng tương lai. Thuật toán này sẽ tối ưu các tham số điều khiển để có được đối tượng đáp ứng tương lai tối ưu. MPC được sử dụng trong bài toán xử lý những ràng buộc, tính ổn định thường gặp trong thực tế điều khiển mà các phương pháp điều khiển tối ưu thông thường không đáp ứng được. Trong điều khiển dự báo, chất lượng điều khiển phụ thuộc vào mô hình dự báo vì vậy một trong những phương pháp nâng cao chất lượng của hệ điều khiển dự báo là phương pháp xây dựng mô hình điều khiển. Nguyên tắc điều khiển mô hình dự báo phi tuyến (NMPC) với mô hình Gauss thường được sử dụng để mô hình hóa các thông số phi tuyến tĩnh [1], [2]. Trong nghiên cứu này, mô hình Gauss được phát triển để ứng dụng cho việc mô hình hóa hệ thống động.

MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG ĐỘNG VỚI GAUSS

Mô hình Gauss là một mô hình xác suất không tham số linh hoạt với những dự báo không xác định. Mô hình này là tập hợp các biến ngẫu nhiên được phân bố theo đường cong Gauss. Giả thiết hàm y = f(x) là mối ∗ Tel: 0982 847826, Email: lethihuyenlinh@gmail.com

quan hệ giữa đầu vào x và đầu ra y. Trong đó: y1,..yn ~ N(0,∑), ∑pq= Cov(yp, yq) = C(xp, xq) là hiệp phương sai giữa giá trị đầu ra và đầu vào tương ứng xp, xq. Do đó giá trị trung bình µ(x) (luôn giả định bằng 0) và hàm hiệp phương sai C(xp, xq) sẽ xác định mô hình Gauss một cách đầy đủ. Chú ý rằng hàm hiệp phương sai C(xp, xq) có thể là bất cứ hàm nào với đặc tính là nó có thể tạo ra một ma trận hiệp phương sai xác định dương.

Hàm hiệp phương sai thường được chọn là:

21 0

1

1( , ) exp[- ( ) ]+ (1)

2

Dd d

p q d p qd

C x x x xu w u=

= -å

Trong đó: T

1 0 1[ ... ]Dw w u uQ = là các tham số bậc cao của hàm hiệp phương sai và D là chiều đầu vào. Ở đây, các tham số có thể được xác định dựa vào các dữ liệu đã có. Sau đó người ta có thể sử dụng tham số ω như là những chỉ số để xác định mức độ quan trọng của các đầu vào tương ứng: nếu 0dω = hoặc gần bằng 0, điều đó có nghĩa là đầu vào kích thước d chứa ít thông tin và có thể được bỏ qua. Hãy xét tập hợp các vector D chiều: đầu vào X = [x1, x2,. . ,xN] và đầu ra y =[y1, y2,. . . , yN]T. Dựa trên các dữ liệu (X, y), và một vector đầu vào mới x* đã cho, ta mong muốn tìm thấy những phân bố dự báo của đầu ra y* tương ứng. Với mô hình này, mục tiêu chính là điều chỉnh các tham số của hàm hiệp phương sai để đạt được sự tối ưu. Điều này

Lê Thị Huyền Linh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 195 - 200

196

được thực hiện bằng cách phát huy tối đa biểu đồ hợp lệ của tham số, yêu cầu của việc tính toán này chỉ là tương đối bởi vì nghịch đảo của ma trận hiệp phương sai dữ liệu (N x N) phải được tính theo mỗi bước lặp.

Phương pháp này có thể dễ dàng sử dụng trong tính toán hồi quy. Trên cơ sở huấn luyện một lượng X, một ma trận hiệp phương sai K (N x N) được xác định. Như đã đề cập trước, mục đích là để tìm thấy sự phân bố của đầu ra y* tương ứng với một vector đầu vào x*:

x* = [x1 (N + l), x2 (N + l) ,..., xD (N +1)]T

Đối với một thử nghiệm đầu vào x*, việc phân bố dự đoán của đầu ra tương ứng y*|x*, (X, y) là đường cong Gauss, với giá trị trung bình và phương sai:

* *

2 * * * 1 *0

( ) ( ) (2)

( ) ( ) ( ) ( ) (3)

T T

T

x k x K y

x k x k x K k x v

µσ

−

−

== − +

Trong đó: ( ) ( ) ( )* 1 * *x [C x , x ,. . . ,C x , xTNk =

là Nx1 vector của hiệp phương sai giữa trường hợp kiểm tra và huấn luyện,

và ( ) ( )* * *k x C x , x= là hiệp phương sai

giữa các thử nghiệm đầu vào và chính nó.

Trước khi dự đoán ta phải tính toán các giá trị bất định cho các dự báo trong tương lai. Điều đó sẽ cung cấp đầu vào cho việc ước lượng những giá trị trung bình và những giá trị bất định trong tương lai xa hơn.

Nếu bây giờ chúng ta xét một đầu vào ngẫu

nhiên mới *

*x ~ ( , )x xN µ ∑ và một khai

triển Taylor là *( )xµ và 2 *( )xσ lân cận xµ ,

thì phân bố dự báo lại chính là mô hình Gauss với giá trị trung bình và phương sai.

*

* *

* *

* ** *

* *

* 1

* 2 * *

2 *

2 2 **

* * ( )

* *

* * ( )( )

( ) [ ( )]

( ( ) ) (4)

( ) [ ( )] ar ( ( ))

( ( ))

1 ( ) [

2

( ) ( )]

( ) ( ) (5)T

x

T

x x

T x x

x xx x

m x E x

k x K y

r x E x v x

x

xtrace x

x x

x x

x x

µ

µµ

µ

µσ µ

σ µσ

µ µ

−

=

==

=

≈= +

≈∂+∂ ∂

∂ ∂+∂ ∂

∑

Phương trình (4) và (5) có thể được áp dụng cho tính toán trước dự báo với sự phân tán của các giá trị bất định. Mô hình Gauss giống như mạng Nơron được dùng cho các mô hình phi tuyến tĩnh và có thể được áp dụng cho mô hình hóa các hệ thống động, nếu đầu vào có trễ và tín hiệu đầu ra quay trở về đầu vào (tín hiệu hồi quy). Ưu điểm của mô hình Gauss là khi đạt được tối ưu xuất hiện ít tham số hơn việc sử dụng mô hình Nơron. Như vậy đầu ra hiện tại ở bước thứ k phụ thuộc vào đầu vào trước đó giống như việc điều khiển trước đầu vào.

ˆ ˆ ˆ( ) [ ( -1), ( - 2),.... ( - ), ( -1),

( - 2),..., ( - )]

ˆ( ) ( ( )) (6)

T

x k y k y k y k L u k

u k u k L

y k f x k e

=

= +

Ở đây x biểu thị vector trạng thái bao gồm các giá trị đầu ra y, giá trị đầu vào u có độ trễ L và e là nhiễu trắng.

Dựa trên các mối quan hệ đã trình bày trên, mô hình được tạo ra sẽ mô tả các đặc tính động của hệ thống phi tuyến, đồng thời cung cấp thông tin về độ tin cậy của các dự báo đó ở cùng một thời điểm. Mô hình Gauss có thể xác định các khu vực không gian đầu vào có chất lượng dự báo kém (do thiếu dữ liệu hoặc quá phức tạp) bằng cách chỉ ra những phương sai cao hơn lân cận giá trị trung bình dự đoán.

MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO PHI TUYẾN

Hình 1. Sơ đồ khối mô hình hệ thống điều khiển

dự báo

Mô hình điều khiển dự báo phi tuyến được áp dụng với mô hình Gauss được mô tả bằng sơ đồ khối tổng quát như Hình 1. Mô hình được sử dụng là cố định, được nhận dạng off-line, có nghĩa là sử dụng thuật toán điều khiển không thích nghi. Vì vậy cấu trúc của toàn bộ vòng lặp điều khiển ít phức tạp như trong

Lê Thị Huyền Linh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 195 - 200

197

trường hợp mô hình biến thiên theo thời gian. Nội dung của phương pháp điều khiển dự báo được trình bày dưới đây:

Dự báo tín hiệu đầu ra của hệ thống y(k+j) được tính cho mỗi lần lấy mẫu rời rạc k đối với một phạm vi rộng trong tương lai (j=N1,...,N2). Những dự báo này được biểu

diễn là ( )ˆ |y k j k+ với j là bước dự đoán

trước. N1 và N2 lần lượt là giới hạn dưới và trên của phạm vi dự báo. Giới hạn dưới và trên của miền tín hiệu đầu ra dự báo xác định trùng với phạm vi dự báo, trong đó có sự phối hợp giữa đầu ra và tín hiệu tham chiếu mong đợi. Đầu ra tín hiệu dự báo được tính toán từ mô hình đối tượng. Các dự báo này phụ thuộc vào khả năng điều khiển trong tương lai u (k + j|k), j = 0,. . . , Nu-1, được áp dụng từ trước thời điểm k.

Quỹ đạo tham chiếu được xác định r(k+j|k), j = N1,...,N2, xác định quá trình đáp ứng tham chiếu từ giá trị hiện tại y(k) tới quỹ đạo điểm đặt ( )kω .

Vector của tín hiệu điều khiển tương lai (u (k + j|k), j = 0,. . . , Nu-1) được tính toán bằng cách tối thiểu hóa hàm mục tiêu sao cho sai lệch giữa đáp ứng tham chiếu r(k+j|k) và đáp

ứng dự báo ( )ˆ |y k j k+ , j = N1….N2 là nhỏ

nhất. Chỉ có giá trị đầu tiên u(k|k) của véctơ tín hiệu điều khiển tối ưu u (k + j|k), j = 0,. . . Nu-1 là được sử dụng.

Trong lần lấy mẫu tiếp theo một mẫu đầu ra mới được xác định và toàn bộ quy trình sẽ được lặp lại. Nguyên lý này gọi là phạm vi chiến lược dịch dần (RHS). Hàm mục tiêu có dạng như sau:

2

( )ˆmin[ ( ) ( )] (7)

U kr k P y k P+ − +

Với điều kiện biên:

ir

ˆvar ( ) (8)

( ) (9)

( ) (10)

( ) (11)

( ) (12)

v

ih

sh

sr

y k P k

U k k

U k k

x k k

x k k

+ ≤≤

≤

≤

≤

&

&

Trong đó U(k)=[u(k) …u(k+P)] là tín hiệu đầu vào, P là điểm trùng hợp của giá trị đầu ra

và giá trị tham chiếu, các bất đẳng thức từ (8) đến (12) biểu diễn sự ràng buộc của phương sai đầu ra kv, ràng buộc cứng của đầu vào kih, ràng buộc biến thiên của đầu vào kir, ràng buộc cứng của vectơ trạng thái ksh , ràng buộc biến thiên của vectơ trạng thái ksr. Mô hình như vậy được gọi là mô hình Gauss.

Thuật toán tối ưu hóa thực chất là một chương trình để giải bài toán phi tuyến có ràng buộc, được tiến hành ở mỗi lần lấy mẫu trong phạm vi dự báo P, bao gồm hàng loạt các di chuyển mà mỗi di chuyển tương ứng với phạm vi điều khiển. Trong trường hợp này chỉ một phạm vi điều khiển được chọn để biểu diễn ràng buộc của phương sai, các ràng buộc còn lại không được tính đến. Tuy nhiên, điều này chỉ làm thay đổi về mặt số học chứ không thay đổi tính chất chung của giải pháp.

Ngoài ra, NMPC với mô hình Gauss còn có thể được nhận biết như sau:

- Hàm mục tiêu: Hàm mục tiêu được sử dụng ở công thức (7) chỉ là một lựa chọn. Sự lựa chọn hàm mục tiêu này có ảnh hưởng lớn đến khối lượng tính toán.

- Vấn đề tối ưu hóa được nghiên cứu cho ∆U (k) thay vì U(k): Điều này không chỉ là một thay đổi về hình thức mà còn tạo ra các dạng NMPC khác. Chương trình điều khiển ma trận động (DMC) sử dụng nguyên tắc chung cùng với hàm mục tiêu tương ứng được đưa về dạng bình phương cực tiểu.

- Hạn chế về phần mềm: Việc sử dụng thuật toán tối ưu có ràng buộc đòi hỏi rất nhiều công việc tính toán trong khi ràng buộc mềm, còn gọi là trọng số đối với các biến ràng buộc trong hàm mục tiêu lại có thể được sử dụng để giảm khối lượng tính toán.

Có nhiều vấn đề quan tâm để áp dụng NMPC. Một trong số đó là giải pháp hiệu quả về mặt số học. Chương trình thuật toán phi tuyến tối ưu hóa yêu cầu khối lượng tính toán lớn. Các phương pháp ước lượng và các phương pháp khác chẳng hạn như phương pháp dự đoán kết quả được sử dụng để giảm khối lượng tính toán, nhất là trong các trường hợp đặc biệt, giống như các mô hình tuyến tính hoặc các hàm mục tiêu đặc biệt.

Lê Thị Huyền Linh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 195 - 200

198

Sự ổn định của hệ thống vòng lặp kín là vấn đề tiếp theo. Hiện nay chưa có điều kiện ổn định nào được suy ra từ mô hình Gauss như là sự biểu diễn của mô hình xác xuất không tham số.

MÔ PHỎNG

Quá trình pH

Sơ đồ đơn giản hóa quá trình trung hòa độ pH [1], [2] được đưa ra trong Hình 2. Quá trình này bao gồm một dòng axit (Q1), dòng đệm (Q2) và dòng cơ sở (Q3) được trộn lẫn trong một bồn chứa T1. Trước khi trộn, đưa axit vào bồn T2 để tạo thêm động lực dòng chảy. Tỷ lệ các axit và dòng chảy cơ bản được điều khiển bằng các van điều khiển dòng, trong khi tỷ lệ dòng chảy đệm được điều khiển bằng tay với một lưu lượng kế. Dòng chảy ra pH là biến đo. Vì bộ cảm biến pH nằm ở hạ nguồn bồn T1, cho nên việc đo độ pH có một độ trễ (Td). Trong nghiên cứu này, độ pH được điều khiển bằng cách điều chỉnh tốc độ dòng chảy cơ bản. Mô tả chi tiết hơn của quá trình với mô hình toán học và các thông số cần thiết được trình bày trong [1], [3].

Hình 2. Hệ thống trung hòa độ pH

Mô hình động của hệ thống trung hòa độ pH thể hiện trong Hình 2 được suy ra từ việc sử dụng các phương trình bảo toàn và các mối quan hệ cân bằng. Mô hình này cũng bao gồm các van và máy phát động lực cũng như các mối quan hệ thuỷ lực cho các dòng chảy thoát nước. Những giả định của mô hình bao gồm sự pha trộn một cách hoàn hảo nồng độ đồng đều, và sự hòa tan một cách hoàn toàn của các ion tham gia. Mô hình mô phỏng quá trình pH đã được sử dụng cho việc tạo ra các dữ liệu cần thiết, vì thế nó bao gồm rất nhiều các yếu tố phi tuyến cũng như hàm tính toán tính ẩn

có giá trị đối với đường cong chuẩn độ phi tuyến cao.

Nhận dạng mô hình

Dựa trên các đáp ứng và chu trình cắt và thử lặp đi lặp lại một khoảng lấy mẫu thời gian 25 giây đã được lựa chọn (thời gian lấy mẫu này lớn hơn thời gian chết). Tín hiệu nhận dạng được chọn của 400 lần lấy mẫu đã được tạo ra từ một phân bố ngẫu nhiên đồng nhất và tỷ lệ là 50 giây.

Siêu tham số thu được trong mô hình Gauss ở lệnh thứ ba là:

1 2 3 4 5 6 0 1[ , , , , , , , ]

=[ 6.0505, 2.0823, 0.4785, 5.3388,

8.7080, 0.8754, 5.4164] (13)

v vω ω ω ω ω ωΘ =− − − −− −

Trong đó những siêu tham số từ 1ω đến 3ω

biểu thị một trọng số cho mỗi đầu ra hồi quy, từ

4ω đến 6ω biểu thị một trọng số cho mỗi đầu

vào hồi quy, v0 là phương sai nhiễu được dự đoán và v1 là phương sai dọc được dự đoán.

Hình 3. Đáp ứng của mô hình Gauss với tín hiệu

kích thích được sử dụng cho nhận dạng.

Có thể thấy rằng mô hình này rất tương thích đối với việc nhận biết các tín hiệu đầu vào để sử dụng cho quá trình tối ưu hóa. Tuy nhiên, mô hình thu được chỉ chứa các thông tin chủ yếu trong vùng có pH dưới 7 như đã chỉ ra từ đáp ứng trong hình 3. Các tín hiệu hợp lệ có tần suất và quy mô thấp hơn với tín hiệu nhận dạng. Đó là, nếu như mô hình nhận dạng được kích thích bằng một tín hiệu cao hơn thì nó chắc chắn phải đáp ứng tốt với cả các tín

Lê Thị Huyền Linh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 195 - 200

199

hiệu có thành phần thấp hơn. Các tín hiệu hợp lệ đã được thu bằng máy phát điện của nhiễu ngẫu nhiên với sự phân phối đồng nhất và tỷ lệ 500 giây. Hình 4 mô tả đáp ứng của mô hình Gauss đối với tín hiệu hợp lệ so sánh với đáp ứng của quá trình. Sự phù hợp của đáp ứng đối với tín hiệu hợp lệ được biểu diễn bằng các thông số như sau:

- Giá trị trung bình kiểm tra của sai số tuyệt đối: AE = 0.1276

- Giá trị trung bình kiểm tra của sai số bình phương: SE = 0.0373

- Sai số mật độ: LD = 1.9889

Hình 4. Đáp ứng của mô hình Gauss đối với tín

hiệu hợp lệ

Sau khi đạt được mô hình hợp lệ, mô hình này được dùng để thiết kế bộ điều khiển.

Hình 5. Hình trên là đáp ứng điều khiển dựa trên mô hình Gauss, hình dưới là tín hiệu điều khiển

trong trường hợp không có ràng buộc.

Điều khiển

Thuật toán điều khiển được mô tả ở trên dùng để mô phỏng điều khiển quá trình trung hoà độ pH. Quỹ đạo tham chiếu r được xác định

sao cho nó tiệm cận với điểm đặt của hàm số mũ từ giá trị đầu ra hiện tại. Như đã nói ở trên điểm trùng hợp được chọn là 8 lần lấy mẫu và phạm vi điều khiển là một lần lấy mẫu. Những kết quả của điều khiển không ràng buộc được đưa ra ở hình 5 và 6.

Hình 6. Độ lệch chuẩn tương ứng với hình 5

Các đáp ứng khác nhau tại các điểm đặt khác nhau đã cho thấy mô hình này hoạt động không đồng nhất tại tất cả vùng. Rõ ràng là phương sai tăng lên khi tín hiệu đầu ra tiệm cận những vùng mà không đủ dữ liệu nhận dạng. Tuy nhiên cũng chú ý rằng các phương sai này là tổng của các phương sai tương ứng với thông tin về độ tin cậy của mô hình dựa trên các dữ liệu giá trị nhận dạng đã có sẵn và các phương sai đáp ứng của đầu ra để chỉ ra tính chất của mô hình. Khi những phương sai tăng lên quá nhiều, sự đáp ứng có thể được tối ưu hóa với điều khiển ràng buộc. Kết quả thấy được ở hình 7 và 8.

Ở đây đáp ứng của hệ thống kín đã tránh được vùng có phương sai lớn nhưng lại phải chịu sai số trạng thái nhất định do phải lựa chọn giữa chất lượng thiết kế và độ an toàn.

Hình 7. Hình trên là đáp ứng của điều khiển dựa trên mô hình Gauss, hình dưới là tín hiệu điều

khiển trong trường hợp có ràng buộc (σmax=0.15).

Lê Thị Huyền Linh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 195 - 200

200

Hình 8. Độ lệch chuẩn tương ứng với hình 7

KẾT LUẬN

Nguyên lý của mô hình điều khiển dự báo dựa trên mô hình Gauss đã được trình bày trong bày viết và được minh họa điều khiển quá trình trung hoà độ pH. Trong ví dụ này ràng buộc đối với phương sai của mô hình đã được đưa vào. Bài viết này chỉ ra rằng việc sử dụng mô hình thuật toán Gauss đã đưa ra một phương án cho việc thiết kế và tạo ra một bộ điều khiển tốt hơn dựa vào các thông tin đã có trong mô hình. Tuy nhiên để việc ứng dụng thuật toán Gauss trong mô hình điều khiển dự

báo được đưa vào ứng dụng trong thực tế cần phải có những nghiên cứu tiếp theo.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1]. Kavˇ sek-Biasizzo K., ˇ Skrjanc I., Matko D., Fuzzy predictive control of highly nonlinear pH process, Computers & chemical engineering,Vol. 21, Supp. 1997, S613-S618, 1997. [2]. Kocijan J., Girard A., Banko B., Murray-Smith R., Dynamic Systems Identification with Gaussian Processes, Proceedings of 4th Mathmod, Vienna, 776-784, 2003. [3]. Camacho; Bordons (2004). Model predictive control. Springer Verlag. [4]. Findeisen; Allgöwer, Biegler (2006). Assessment and Future Directions of Nonlinear Model Predictive Control. Lecture Notes in Control and Information Sciences. [5]. Grüne; Pannek (2009). "Practical NMPC suboptimality estimates along trajectories". System & Control Letters [6]. W.H. Kwon and S. Han (2005). Receding horizon control. Springer Verlag. [7]. Liuping Wang (2008) Model predictive control

system design and implemetation. Springer Verlag.

SUMMARY GAUSSIAN PROCESS MODEL BASED PREDICTIVE CONTROL

Le Thi Huyen Linh ∗∗∗∗, Nguyen Thi Mai Huong

College of Technology - TNU

Gaussian process model provide a probabilistic non-parametric modelling approach for black-box identification of non-linear dynamic systems. Gaussian process model contain noticeably less coefficients to be optimized. This paper illustrates possible application of Gaussian process models within model based predictive control. The predictive control principle is demonstrated on control of pH process benchmark. Key words: Gaussian process model, predictive control model, probabilistic non-parametric model

∗ Tel: 0982 847826, Email: lethihuyenlinh@gmail.com

Nguyễn Minh Cường Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 201 - 205

201

MỘT SỐ GIẢI PHÁP NHẰM NÂNG CAO HI ỆU QUẢ CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ NHU CẦU ĐIỆN NĂNG

Nguyễn Minh Cường*

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT Trong thời điểm còn nhiều những hạn chế về sự gia tăng của phụ tải lên công suất phát điện mới và hiện có, thì các giải pháp DSM đang được coi là những chiếc cầu nối hợp lý giữa hai yêu cầu hình như còn đang mâu thuẫn trên phạm vi toàn thế giới. Sự biến đổi cao của phụ tải từ ngày này qua ngày khác, và từ giờ này qua giờ khác với những loại phụ tải khác nhau, có thể đem lại những cơ hội quan trọng cho việc quản lý theo nhu cầu. DSM cung cấp một giải pháp khả thi để giải quyết một số vấn đề chính đang đe dọa đối với các công trình điện năng hiện nay. Ở Việt Nam đã và đang thực hiện một số mô hình DSM tuy nhiên hiệu quả còn chưa cao. Một đề xuất để giải quyết nâng cao hiệu quả của DSM nhằm đáp ứng cân bằng cung-cầu điện được đưa ra ở đây, đó là cải cách về chính sách đối với nhà cung cấp và khách hàng sử dụng điện. Từ khóa: Quản lý nhu cầu điện, sử dụng năng lượng, giá điện, lưới điện thông minh.

∗ ĐẶT VẤN ĐỀ

Quản lý nhu cầu điện (DSM - Demand Side Management) là tập hợp các giải pháp Kỹ thuật - Công nghệ - Chính sách Kinh tế, xã hội - Điều khiển nhằm sử dụng điện năng một cách hiệu quả và tiết kiệm.

Trong những năm trước đây, để thoả mãn nhu cầu sử dụng ngày càng tăng của phụ tải người ta quan tâm đến việc đầu tư khai thác và xây dựng thêm các nhà máy điện mới. Giờ đây, do sự phát triển quá nhanh của nhu cầu dùng điện, lượng vốn đầu tư cho ngành điện đã trở thành gánh nặng của các quốc gia. Lượng than, dầu, khí đốt... dùng trong các nhà máy điện ngày một lớn kèm theo sự ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng. Dẫn tới DSM được xem như một nguồn cung cấp điện rẻ và sạch nhất. Bởi DSM giúp chúng ta giảm nhẹ vốn đầu tư xây dựng các nhà máy điện mới, tiết kiệm tài nguyên, giảm bớt sự ô nhiễm môi trường. Không chỉ vậy, nhờ DSM người tiêu dùng có thể được cung cấp điện năng với giá rẻ và chất lượng cao hơn. Thực tế, kết quả thực hiện DSM tại các nước trên thế giới đã đưa ra những kết luận là DSM có thể làm

∗ Tel: 0913 908999, Email: nmcuong.htd@gmail.com

giảm ≥ 10% nhu cầu dùng điện với mức chi phí chỉ vào khoảng (0,3÷0,5) chi phí cần thiết xây dựng nguồn và lưới để đáp ứng lượng điện năng tương ứng [3].

Chương trình DSM đã được Chính phủ Việt Nam quan tâm nghiên cứu từ rất sớm, tuy nhiên hiệu quả của các chương trình DSM không cao, vấn đề thiếu điện vẫn diễn ra trầm trọng.

Các chương trình DSM đã thực hiện từ trước tới nay có thể được chia ra thành các giai đoạn như sau [5]:

- Giai đoạn chuẩn bị (trước 1998): Giai đoạn nghiên cứu đánh giá tiềm năng DSM.

- Giai đoạn 1 (1998-2002): Giai đoạn thử nghiệm và xây dựng các quy định cơ bản của các chương trình DSM

- Giai đoạn 2 (2002-2006): Triển khai một số chương trình DSM tiềm năng.

- Giai đoạn tiếp theo (từ năm 2006 đến 2015): Triển khai các chương trình DSM quốc gia và chương trình tiết kiệm năng lượng mục tiêu quốc gia trên phạm vi toàn quốc.

Tuy nhiên các biện pháp trên chưa quan tâm đến khía cạnh chính sách.

Vấn đề đặt ra là làm thế nào để thực hiện hiệu quả chương trình DSM ở Việt Nam nhằm giảm thiểu sự mất cân bằng cung – cầu điện

Nguyễn Minh Cường Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 201 - 205

202

hiện nay. Bài báo này đề xuất một số biện pháp về mặt chính sách trước mắt cũng như lâu dài để nâng cao hiệu quả chương trình DSM ở Việt Nam.

KHUYẾN NGHỊ CHÍNH SÁCH

Việc thực hiện DSM ở nước ta sẽ gặp nhiều khó khăn khi chưa thông qua các chính sách mới. Nhiệm vụ quan trọng là xác định các chính sách cần thiết để cho phép DSM có một vai trò trong hệ thống tái cơ cấu ngành điện. Điều này đặc biệt quan trọng vì ngành điện của Việt Nam đang trong quá trình cải cách. Trong một số khía cạnh, lĩnh vực năng lượng của ta giống như một ngành công nghiệp kế hoạch tập trung, nơi chỉ huy và kiểm soát các phương pháp để tăng đầu tư vào DSM nhằm nâng cao hiệu quả làm việc của nó; điều này có thể thấy rõ ở việc hiện nay hiệu suất sử dụng năng lượng ở nước ta rất thấp gây lãng phí năng lượng vì công nghệ sản xuất lạc hậu không chú trọng đến DSM do không có các chính sách khuyến khích hoặc thúc đẩy áp dụng DSM. Trong khía cạnh khác, ngành điện đang trở thành một ngành công nghiệp hướng vào thị trường, mà nơi có thị trường thì định hướng chính sách DSM sẽ là cần thiết. Như vậy chính phủ Việt Nam cần xem xét lựa chọn một số chính sách ngắn hạn và dài hạn để khuyến khích DSM. Một số các chính sách này dựa vào các quy định, tiêu chuẩn, và các biện pháp khác có thể được coi là luật và kiểm soát các cơ chế.

Việc cải cách ngành điện đang được tiến hành ở nước ta. Cục Điều tiết điện lực đã được thành lập. Các công ty điện lực đảm nhiệm từ việc truyền tải đến kinh doanh phân phối. Tuy nhiên, nếu quá trình cải cách không phù hợp trong cấu trúc và quy tắc, Việt Nam sẽ bỏ qua một cơ chế quan trọng trong việc theo đuổi phát triển kinh tế hiệu quả và bền vững.

Hiện vẫn còn một số rào cản đối với việc thực hiện DSM ở nước ta. Cải cách ngành điện của Việt Nam và kế hoạch cải cách phải loại bỏ các rào cản đối với DSM. Các khuyến nghị chính sách sau đây sẽ hỗ trợ nỗ lực cải cách trong khi giảm rào cản đối với DSM.

Giải pháp trước mắt (ngắn hạn)

Điều quan trọng nhất cần thực hiện ngay là: Hãy xem DSM là một chính sách ưu tiên. Kinh nghiệm quốc tế chỉ ra rằng DSM, bao gồm cả hiệu quả năng lượng và quản lý tải, sẽ chỉ mang lại hiệu quả với chính phủ rõ ràng, mạnh mẽ, và nhất quán trong lãnh đạo quản lý [2].

Một trong những cách tốt nhất để thực hiện DSM là áp dụng một chính sách mà các dịch vụ tiện ích phân phối có nghĩa vụ phân phối hiệu quả chi phí - hiệu quả năng lượng. Chính sách này có thể được thực hiện thông qua các quy định và thông qua các điều kiện tiêu chuẩn bao gồm trong mỗi giấy phép của công ty phân phối. Các chính sách cần yêu cầu các công ty phân phối xác định, thiết kế, và cung cấp các chương trình DSM cho mọi tầng lớp khách hàng, phải được xem xét và giám sát bởi cơ quan quản lý nhà nước.

Để thực hiện thành công các chương trình DSM, phải cung cấp ổn định và đầy đủ kinh phí cho DSM. Tài trợ DSM có thể được thông qua thuế, phí xây dựng địa phương, hoặc các nguồn khác. Bên cạnh đó có thể cần phải tạo ra các quỹ đặc biệt để hỗ trợ DSM trong ngành điện, có lẽ như là một tỷ lệ phần trăm của giá năng lượng tổng thể như là phổ biến tại Hoa Kỳ và một số nơi khác.

Cần phải khuyến khích tài chính để đầu tư các tiện ích trong DSM. Điều quan trọng là phương pháp áp dụng thuế quan: thu hồi chi phí liên quan DSM và việc áp dụng các biện pháp thuế quan không thưởng tăng doanh số bán hàng.

Theo thông lệ hiện hành ở nước ta không có cơ chế cho các công ty cung cấp điện năng để thu hồi chi phí đầu tư DSM.

Không có cơ chế để đảm bảo rằng các công ty điện lực sẽ cung cấp các chương trình DSM ở mức độ lớn nhất có thể. Doanh thu của các công ty điện lực hiện nay được xác định bởi mức độ bán hàng, khi sản lượng giảm lập tức sẽ làm giảm lợi nhuận của công ty. Ngay cả khi chi phí của DSM là số không, doanh thu thấp hơn có nghĩa là các tùy chọn DSM làm

Nguyễn Minh Cường Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 201 - 205

203

giảm lợi nhuận các tiện ích của lưới điện. Đây là một khuyến khích rất mạnh để đầu tư DSM vào lưới điện.

Để giải quyết vấn đề này đòi hỏi việc áp dụng các biện pháp loại bỏ sự không khuyến khích tài chính cho DSM. Một cách tiếp cận, sử dụng thành công tại Úc, Nam Phi, Vương quốc Anh và Hoa Kỳ, là một hình thức điều chỉnh dựa trên hiệu suất tức đưa ra một giới hạn trên doanh thu là một lợi nhuận có thể giữ lại [2].

Thông qua cải cách giá cả, kinh nghiệm đã chứng minh rằng hộ tiêu thụ sẽ thay đổi cách thức sử dụng điện của họ để đáp ứng với tín hiệu giá. Cải cách bao gồm:

Nâng giá sử dụng điện trên giá thành. Giá cho một số ngành công nghiệp sử dụng nhiều năng lượng hiện nay đang được tính thấp. Giá điện thấp làm cho khách hàng không chú trọng đầu tư vào DSM và hiệu quả năng lượng. Kết quả làm tăng nhu cầu tiêu thụ điện, góp phần vào tình trạng thiếu điện của Việt Nam.

Tùy chọn giá cho khách hàng yêu cầu độ tin cậy cao nên được chuổn bị, họ sẵn sàng trả giá cao hơn để đảm bảo yêu cầu sử dụng. Phí bảo hiểm giá, hoặc phụ phí, nên được sử dụng để trả tiền hộ tiêu thụ khác tự nguyện cắt giảm sử dụng và quỹ khuyến khích tài chính cho hộ tiêu thụ phải mua và cài đặt thêm các thiết bị tiết kiệm năng lượng, động cơ, và các thiết bị khác. Nếu việc cắt giảm điện có thể tránh được bằng cách mua điện của các công ty cung cấp điện khẩn cấp, thì quỹ có thể được sử dụng để trang trải chi phí cho công ty cung cấp điện khẩn cấp.

Nâng cao giá ở giờ cao điểm cho các khách hàng công nghiệp lớn, vì hiệu quả của DSM đối với nhóm khách hàng này là rất cao. Cần phải đưa ra giá ở "nghiêm trọng cao điểm" chỉ là giờ cao điểm cao nhất và mức giá cao điểm ở một vài giờ cao điểm. Với cách tiếp cận này giá cả có thể áp dụng cho hộ tiêu thụ lớn mà không chọn dịch vụ ngắt hoặc độ tin cậy cao. Nguồn kinh phí thu theo tùy chọn này cũng có thể được sử dụng như mô tả ở trên.

Giảm giá cho hộ tiêu thụ mà bị gián đoạn hoặc giảm sử dụng điện. Chúng ta cần thông

qua các chương trình định giá ngắt. Chương trình cần tạo ra sự lựa chọn cho khách hàng và đáp ứng nhiều khách hàng.

Cải thiện việc phân tích đánh giá hiệu quả DSM. Hầu hết các thông tin hiện có về các khoản tiết kiệm chi phí và môi trường của DSM dựa trên các ước tính đơn giản. Cần phải sử dụng các phân tích chi tiết hơn và tinh vi hơn, công cụ phân tích có thể cải thiện phân tích lợi ích và giảm sự không chắc chắn về đầu tư DSM.

Tuy nhiên, để có thể áp dụng được những chính sách tác động vào phụ tải điện ở trên chúng ta cũng cần phải quy hoạch xây dựng lưới điện cho phù hợp. Trong bài báo này tác giả cũng đề xuất phương án xây dựng lưới điện nhằm thực hiện tốt những chính sách đó. Phương án quy hoạch lưới ở đây là: lưới điện thông minh (Smart Grid).

Smart Grid là lưới điện tiên tiến của thế kỷ 21 dựa trên sự bổ sung và tích hợp nhiều thành phần khác nhau của công nghệ tính toán, công nghệ truyền tin và các dịch vụ kỹ thuật số lên hạ tầng truyền thống của hệ thống cung cấp điện. Khả năng trao đổi 2 chiều cả về năng lượng, thông tin và điều khiển cho phép chúng ta có thể thực hiện một mảng các chức năng mới và ứng dụng cần thiết để sản xuất, truyền tải, phân phối và sử dụng năng lượng một cách hiệu quả và tối ưu. Smart Grid không chỉ được coi là một sự thay đổi cơ bản trong cách thức phát triển, vận hành và sử dụng năng lượng điện mà nó đã được xác định là một cuộc cách mạng thực sự của của ngành công nghiệp điện năng trên cơ sở của các cuộc cách mạng trong lĩnh vực tin học và truyền tin trong ba thập niên vừa qua. Các công việc cơ bản nhất khi phát triển Smart Grid được liệt kê dưới đây:

- Nâng cao việc sử dụng thông tin và dữ liệu số hóa và các công nghệ điều khiển tiến tiến để cải thiện độ tin cậy, an toàn và hiệu suất của hệ thống điện (HTĐ).

- Áp dụng tối ưu động trong công tác vận hành và khai thác các nguồn điện.

- Triển khai và tích hợp các nguồn điện phân tán vào hệ thống điện bao gồm cả các nguồn điện từ năng lượng tái tạo.

Nguyễn Minh Cường Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 201 - 205

204

- Triển khai và phối hợp với điều khiển phụ tải, nguồn điện phía phụ tải và các loại nguồn điện do nâng cao hiệu suất sử dụng điện.

- Triển khai các công nghệ “thông minh-smart” đối với đo đếm và trao đổi thông tin liên quan đến việc vận hành, tình trạng của HTĐ cũng như đối với các hệ thống tự động trong lưới điện phân phối.

- Tích hợp với các thiết bị “thông minh-smart” của khách hàng nhằm trao đổi thông tin hai chiều để điều khiển ON/OFF thiết bị một cách tối ưu.

- Triển khai và tích hợp các công nghệ dự trữ năng lượng hay giảm cao điểm bao gồm xe ôtô điện, điều hòa không khí có lưu nhiệt;

- Cung cấp cho khách hàng thông tin về giá điện theo thời gian thực và các tùy chọn để điều khiển tối ưu việc sử dụng điện.

- Phát triển các tiêu chuẩn để truyền tin và tương thích đối với các thiết bị đấu nối với HTĐ, bao gồm cả các thiết bị thuộc hạ tầng của HTĐ.

- Xác định và giảm thấp các rào cản không hợp lý hoặc không cần thiết trong việc áp dụng công nghệ, dịch vụ và hoạt động của Smart Grid.

Theo đánh giá của Bộ Năng lượng Mỹ thì việc sử dụng các công nghệ kỹ thuật số tiên tiến (các hệ thống đo lường và điều khiển số, các hệ thống truyền tin, hệ thống máy tính và các hệ thống thông tin) sẽ đem lại sự cải thiện to lớn đối với độ tin cậy, tính an toàn, khả năng tương thích và hiệu suất của HTĐ đồng thời với việc giảm ảnh hưởng đến môi trường và kích thích sự phát triển của nền kinh tế [4]. Để hiện thực hóa khả năng của Smart Grid chúng ta rõ ràng sẽ phải triển khai và tích hợp một số lượng khổng lồ các thiết bị và hệ thống thông minh và phải xử lý một lượng dữ liệu to lớn. Việc sử dụng công nghệ cao đòi hỏi chúng ta phải chi rất nhiều tiền nhưng nếu chúng ta không đầu tư cho công nghệ Smart Grid chúng ta trong hiện tại và cả tương lai sẽ còn tốn rất nhiều tiền hơn.

Giải pháp lâu dài (dài hạn)

Về lâu dài, các chính sách liên quan đến DSM và thực tiễn xuất hiện phù hợp nhất với Vi ệt Nam là:

Gắn DSM trong quy hoạch điện quốc gia và đầu tư. Quy định các tiện ích gắn với việc quy hoạch, thiết kế và thực hiện. Trong đó các tiềm năng ứng dụng và chi phí của DSM liên tục được đánh giá và so với chi phí nhu cầu của khách hàng theo những cách khác nhau. Chính phủ nên thực hiện điều này một cách rõ ràng thông qua các quy định hoặc điều kiện cấp giấy phép.

Xây dựng DSM vào cơ cấu thị trường. Một trong những bài học chính từ cuộc khủng hoảng điện California là tầm quan trọng của thiết kế thị trường cạnh tranh tại chỗ để cho phép sự tham gia của các tùy chọn theo nhu cầu phụ tải. Tầm quan trọng của nhu cầu các bên tham gia vào thị trường này hiện đã được quốc tế chấp nhận rộng rãi.

Tiêu chuẩn và phần thưởng cho việc nâng cao hiệu suất. Trong kế hoạch dài hạn của Việt Nam nên xem xét mục tiêu ưu đãi để thưởng cho hiệu suất vượt trội, ưu đãi như vậy cũng được coi là một hình thức "dựa trên quy định hiệu suất".

Nhận thức được chi phí tắc nghẽn. Trong tương lai gần, giá truyền tải có thể không phản ánh chi phí tắc nghẽn. Về lâu dài, một chức năng thị trường bán buôn với giá cả khác nhau, động lực kinh tế sẽ cung cấp vị trí để xác định nhu cầu nguồn lực bên trong các vị trí tốt nhất.

Chất lượng môi trường. Thị trường điện và các quy định môi trường phải được tính toán đến công nghệ phát điện.

Các cơ quan khác nhau trong chính phủ có trách nhiệm phát triển và thực hiện đầy đủ các chính sách cần thiết để thúc đẩy DSM. Bao gồm: các tiêu chuẩn năng lượng của quốc gia; giá; giám sát; đánh giá; thực thi và quy định môi trường. Tất cả các cơ quan chính phủ có liên quan nên được điều phối bởi một Ban chỉ đạo DSM. Các ủy ban sẽ bao gồm các cán bộ chủ chốt từ các phòng ban khác nhau sẽ gặp

Nguyễn Minh Cường Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 201 - 205

205

gỡ thường xuyên để chia sẻ thông tin, thảo luận về sáng kiến, phát triển chính sách và kế hoạch hành động để thực hiện.

KẾT LUẬN

Nếu chúng ta thực hiện được các giải pháp trên thì hiệu quả của chương trình DSM sẽ được nâng cao; đồng thời hệ thống điện cũng đáp ứng được xu thế phát triển của thế giới và nó cũng góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng ở Việt Nam.

Tuy nhiên, vấn đề chính sách và công nghệ được lựa chọn đối với nước ta còn tương đối phức tạp.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO [1]. Banerjee R. (1998), “Load Management in the Indian Power Sector using US experience”, Energy, Vol. 23, No. 11, pp 961-972. [2]. DEDP (1995), The Energy Conservation Promotion Act, Bureau of Energy Regulation and Conservation, Department of Energy Development and Promotion, Bangkok. [3]. DSMO (1999), Demand Side Management (DSM) in Thailand, Experience and Perspective, Demand Side Management Office, EGAT. [4]. Information & Privacy Commissioner, Ontario, Canada, Future of Privacy Forum, Privacy for the Smart Grid:Embedding Privacy into the Design of Electricity Conservation, November 2009 [5]. Cục Điều tiết điện lực (2007), Chương trình quốc gia về quản lý nhu cầu điện giai đoạn 2007-2015, Đề án Bộ Công nghiệp, Hà Nội.

SUMMARY

SOLUTIONS TO IMPROVE EFFICIENCY PROGRAM NEEDS POWER MANAGEMENT

Nguyen Minh Cuong∗

College of Technology - TNU

In the age of many restrictions on the increase of load up new power generation capacity and current, the DSM solution is viewed as a logical bridge between the two requirements that are also appears to contradict throughout the world. The higher the load changes from day to day and from hour by hour with the different types of load, may provide important opportunities for managing demand. DSM provides a workable solution to address some key issues are threatening to existing power projects. In Vietnam, has done some modeling but effective DSM is still low. A proposal to raise the effective resolution of the DSM to meet the electricity supply-demand balance is shown here, that the reform policy for the vendors and customers use electricity. Key words: Demand Side Management, energy use, electricity, smart grid.

∗ Tel: 0913 908999, Email: nmcuong.htd@gmail.com

Nguyễn Minh Cường Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 201 - 205

206

Đặng Thị Loan Pượng Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 207 - 211

207

NÂNG CAO KH Ả NĂNG LÀM VI ỆC ỔN ĐỊNH CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ VỚI LƯỚI TRONG TRƯỜNG HỢP LƯỚI ĐỐI XỨNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP BACKSTEPPING

Đặng Thị Loan Phượng*

Trường ĐH Công nghệ Thông tin và Truyền thông – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT

Máy phát điện sức gió sử dụng động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc với stato được nối trực tiếp với lưới điện còn roto được nối lưới thông qua bộ biến đổi. Việc điều khiển các thông số của máy phát để chúng làm việc hòa hợp với lưới đều nằm trong mạch roto, do mạch roto có công suất nhỏ hơn nên nên công suất hệ điều khiển cũng nhỏ dẫn đến giá thành của hệ thống cũng giảm đáng kể. Việc nghiên cứu, thiết kế các bộ điều khiển nhằm đảm bảo cho máy phát làm việc ổn định với lưới là vấn đề có tính thời sự, đang thu hút sự chú ý của các nhà khoa học trong và ngoài nước. Trong bài báo này tác giả để xuất sử dụng phương pháp Bacstepping để thiết kế bộ điều khiển nhằm nâng cao khả năng làm việc ổn định của máy phát với lưới. Các kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống đã đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đặt ra và có tính khả thi áp dụng trong thực tế. Từ khoá: Ổn định, phương pháp Backstepping, máy phát điện sức gió, điện áp lưới, lưới đối xứng.

∗ ĐẶT VẤN ĐỀ

Máy phát điện sức gió được sử dụng là máy điện không đồng bộ rô to dây quấn (MDKDB)[1] . Loại máy này được ứng dụng ngày càng nhiều vào các hệ thống máy phát điện nói chung và đặc biệt trong các hệ thống máy phát điện chạy sức gió nói riêng. Công suất của máy phát nằm trong dải điều chỉnh từ vài chục kW đến trên 7 MW và có những ưu điểm nổi bật: nhiệm vụ điều khiển công suất hữu công và công suất vô công lại có mối quan hệ phi tuyến phụ thuộc lẫn nhau. Trước đây người ta giải quyết vấn đề này bằng việc coi tần số mạch rotor bằng hằng số trong một khoảng thời gian trích mẫu, tuyến tính hóa mô hình hệ thống và tách kênh các thành phần dòng. Tuy nhiên phương pháp này lại gặp phải một khó khăn lớn khi tần số mạch rotor biến thiên do tốc độ gió thay đổi, đặc biệt là trong trường hợp lưới điện gặp sự cố dẫn tới sập lưới, thì ngoài sự biến thiên mạnh của tần số mạch rotor, của tốc độ máy phát, còn phải kể đến sự dao động của từ thông, điện áp lưới. Những đặc điểm kể trên đã làm cho phương pháp điều khiển tuyến tính giảm hiệu lực. Trong bài báo này tôi đã dùng phương pháp

∗ Tel: 0944 899009, dangthiloanphuong468@gmail.com

Backstepping để nâng cao khả năng ổn định của hệ thống máy phát điện sức gió với lưới trong trường hợp lưới đối xứng.

ĐIỀU KIỆN HÒA ĐỒNG BỘ VỚI LƯỚI ĐIỆN, VÀ SƠ ĐỒ TỔNG QUÁT CỦA HỆ THỐNG [2,3]

Các điều kiện để hòa đồng bộ nguồn điện của máy phát điện sức gió với lưới điện quốc gia

Để hòa đồng bộ máy phát vào lưới, phải thỏa mãn đồng thời ba điều kiện sau :

- Điện áp máy phát và lưới có cùng tần số

- Điện áp máy phát và lưới có cùng trị số

- Điện áp máy phát và lưới có cùng góc pha

Để thực hiện việc hoà đồng bộ máy phát vào lưới, ta chỉ cần tính chọn các giá trị đặt cho các thành phần dòng điện rotor, xác định góc chuyển đổi phù hợp để thực hiện các điều kiện hoà đồng bộ. Sơ đồ hệ thống - Bộ đóng cắt mềm: Nhiệm vụ: Đóng cắt mạch điện để cho một thiết bị được kết nối hoặc không. Cấu tạo: Mỗi pha gồm hai Thyrisor mắc song song ngược.

Đặng Thị Loan Phượng Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 207 - 211

208

NLPL

3~ 3~

NLMP

3~

MP

u s u N M§N

i N

i r i s n DSP

U DC

BiÕn thÕ

IE

HS

NLPL Nghịch l−u phÝa l−íi NLMP NghÞch l−u phÝa m¸y ph¸t M§N M¸y ®ãng ng¾t HS Hép sè MP M¸y ph¸t IE M¸y kh¾c v¹ch xung

Läc

Hình 1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống phát điện chạy

sức gió sử dụng MDKDB

Đặc điểm: Cho phép đóng cắt với thời gian ngắn, thông qua thuật toán điều khiển, cho phép điều khiển được công suất cấp cho tải và hướng truyền công suất.

- Bộ nghịch lưu phía máy phát (NLF) và nghịch lưu phía lưới (NL)

Nhiệm vụ: Biến đổi điện áp xoay chiều ba pha thành điện áp một chiều được lưu trên bộ tụ điện hoặc bộ ắc quy, hoặc ngược lại. Về mặt năng lượng dòng năng lượng có thể chuyền qua bộ nghịch lưu theo hai chiều

hoàn trả năng lượng từ mạch một ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP BACKSTEPPING TRONG THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN PHÍA MÁY PHÁT [4].

Ta nhận thấy để nâng cao được chất lượng điều khiển của hệ thống PĐSG, ta cần tập trung nâng cao chất lượng của bộ điều chỉnh dòng phía máy phát, bằng cách áp dụng phương pháp thiết kế phi tuyến backstepping

để tổng hợp bộ điều khiển dòng. Sơ đồ cấu trúc điều khiển phía máy phát trong đó khâu điều chỉnh dòng được thiết kế theo phương pháp phi tuyến Backstepping được chỉ ra ở hình 2. Nội dung của phần tổng hợp bộ điều chỉnh dòng phía máy phát bao gồm các công việc chính sau:

Tổng hợp khâu điều chỉnh dòng Backstepping cơ bản phía máy phát: bao gồm tổng hợp các khâu điều chỉnh thành phần ird và irq trên miền liên tục, sau đó số hoá bộ điều chỉnh dòng để có thể thực hiện việc cài đặt bộ điều chỉnh trên hệ thống xử lý tín hiệu số DSP. Qua bộ điều chỉnh dòng cơ bản, ta sẽ thấy được bộ điều chỉnh đã thực hiện được việc tách kênh thông qua bù các thành phần liên kết ngang

r rdiω và r rqiω , việc bù trực tiếp điện áp lưới (điện áp stator), bù từ thông stator, bù tốc độ rotor máy phát. Tuy nhiên, do bộ điều chỉnh dòng chưa có thành phần tích phân, nên sẽ tồn tại sai lệch tĩnh.

Khắc phục sai lệch tĩnh: do bộ điều chỉnh dòng Backstepping cơ bản chưa có thành phần tích phân, nên để khử sai lệch tĩnh, ta đưa thành phần tích phân vào trên cơ sở kỹ thuật Backstepping.

Tổng hợp bộ điều chỉnh bền vững thích nghi Backstepping phía máy phát: mục đích là để bộ điều chỉnh bền vững với các

dao động phi tuyến khi lỗi lưới, như dao động của từ thông stator, dao động của điện áp lưới, dao động của tốc độ máy phát và tần số góc mạch rotor. Nâng cao được tính ổn định của hệ thống máy phát điện sức gió.

Hình 2. Cấu trúc điều chỉnh máy phát trong hệ thống phát điện chạy sức gió s

ử dụng MDKDB có sử dụng khâu điều chỉnh Backstepping.

Đặng Thị Loan Pượng Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 207 - 211

209

Tổng hợp khâu điều chỉnh dòng Backstepping cơ bản phía máy phát [5] Tổng hợp khâu điều chỉnh thành phần ird trên miền liên tục

Chọn ird là biến điều khiển, giá trị mong muốn của nó ird

* được lấy từ khâu điều chỉnh

mô men thông qua khâu tính toán giá trị đặt TSP. Gọi sai lệch giữa ird và giá trị đặt ird

* là : z1 = i rd – ird

*

Chọn hàm điều khiển Lyapunov là :

21 1

1

2zν = . Lấy đạo hàm theo thời gian, ta

có : 1 1 1z zν =& & . Ta lại có : *

1rd rddi di

zdt dt

= −&

/ /1 1 1 1

1 1

rdrd r rq sd sq

r s s

rd sdr m

dii i

dt T T T

u uL L

σ σω ψ ωψσ σ σ

σσ σ

− −= − + + + −

−+ −

Do đó:

/ /1

*

1 1 1 1 1

1

rd r rq sd sq rdr s s r

rdsd

m

z i i uT T T L

diu

L dt

σ σω ψ ωψσ σ σ σ

σσ

− −= − + + + − +

−− −

&

(1)

Chọn biến điều khiển là: 1

rdr

uLσ

, để

1 1 1 0z zν = <& & , thì giá trị của biến điều khiển

là :

/ /

*

1 1

1 1 1 1 1

1

rd rd r rq sd sqr r s s

rdsd

m

u i iL T T T

diu k z

L dt

σ σω ψ ωψσ σ σ σ

σσ

− −= + − − −

−+ + −

(2)

Với k1 là hằng số dương.

Bộ điều khiển (3.2) có thể được viết lại ở dạng gọn hơn như sau:

/ /

*

1 1

rd rd r rq sd sq

rdsd

cu ai i e b

didu k z

dt

ω ψ ω ψ= − − +

+ + − (3)

Tổng hợp khâu điều chỉnh thành phần irq trên miền liên tục Chọn irq là biến điều khiển, giá trị mong muốn của nó irq

* được lấy từ khâu điều chỉnh

công suất vô công thông qua khâu tính toán giá trị đặt TSP. Gọi sai lệch giữa irq và giá trị đặt irq

* là : z2 = i rq – irq*

Chọn hàm điều khiển Lyapunov là :

22 2

1

2zν = . Lấy đạo hàm theo thời gian, ta

có : 2 2 2z zν =& & . Ta lại có:

*

2rq rqdi di

zdt dt

= −& (4)

/ /1 1 1 1

1 1

rqr rd rq sd sq

r s s

rq sqr m

dii i

dt T T T

u uL L

σ σω ωψ ψσ σ σ

σσ σ

− −= − − + + +

−+ −

(5)

Do đó: .

/ /2

*

1 1 1 1

1 1

r rd rq sd sqr s s

rqrq sq

r m

z i iT T T

diu u

L L dt

σ σω ωψ ψσ σ σ

σσ σ

− −= − − + + +

−+ − −

(6)

Chọn biến điều khiển là 1

rqr

uLσ

, để

2 2 2 0z zν = <& & , thì giá trị của biến điều khiển

là :

/ /

*

2 2

1 1 1 1 1

1

rq r rd rq sd sqr r s s

rqsq

m

u i iL T T T

diu k z

L dt

σ σω ωψ ψσ σ σ σ

σσ

− −= + + − +

−+ + −

(7)

Với k2 là hằng số dương.

Bộ điều khiển thành phần irq có thể được viết lại ở dạng ngắn gọn hơn như sau:

/ /

*

2 2

rq r rd rq sd sq

rqsq

cu i ai b e

didu k z

dt

ω ω ψ ψ= + − −

+ + − (8)

Xét ổn định của hệ có khâu điều chỉnh dòng Backstepping

Với các khâu điều chỉnh (3) và (8), thay chúng vào các phương trình (1) và (6), ta được các phương trình mô tả mô hình dòng rotor của MDBNK trên không gian các biến trạng thái mới z1 và z2 như sau:

Đặng Thị Loan Phượng Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 207 - 211

210

1 1 1

2 2 2

z k z

z k z

= − = −

&

&

(9)

Có thể viết hệ ở dạng sau:

1 1 1

2 2 2

0

0

z k zd

z k zdt

− = −

(10)

Hệ có điểm cân bằng : (z1,z2)T = (0,0)T

Chọn hàm điều khiển Lyapunov :

2 21 2

1 1

2 2z zν = + . Lấy đạo hàm của v, ta có :

2 21 1 2 2 1 1 2 2 0z z z z k z k zν = + = − − ≤& & & , ta kết luận,

hệ ổn định tại điểm cân bằng (z1,z2)T=(0,0)T.

Bộ điều khiển đã thiết kế đảm bảo yêu cầu ổn định toàn cục.

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Nhận xét

Qua kết quả thí nghiệm và mô phỏng trên hình 3 và 4, ta thấy quá trình hòa đồng bộ và ổn định bằng phương pháp Backstepping thỏa mãn điều kiện hòa đồng bộ theo đúng như lý thuyết đã phân tích.

KẾT LUẬN

Thiết kế bộ điều khiển để nâng cao khả năng làm việc ổn định của máy phát điện sức gió với lưới là một khâu rất quan trọng khi xây dựng hệ thống phát điện sức gió.

Các kết quả mô phỏng hệ thống trên phần mềm Simulink đã cho thấy tính đúng đắn của thiết kế.

Kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp

Nâng cao khả năng làm việc ổn định của máy phát điện sức gió với lưới trong trường hợp lưới không đối xứng.

a. Thực nghiệm b. Mô phỏng

Hình 3. Đáp ứng dòng điện rotor trong quá trình hoà đồng bộ

a. Thực nghiệm b. Mô phỏng

Hình 4. Điện áp máy phát và điện áp lưới trong quá trình hoà đồng bộ.

Đặng Thị Loan Pượng Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 207 - 211

211

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1] Phạm Lê Chi, Nguyễn Quang Tuấn , Nguyễn Phùng Quang (2005), “Cấu trúc tách kênh trực tiếp điều khiển hệ thống máy phát điện không đồng bộ nguồn kép”, Chuyên san Kỹ thuật điều khiển tự động . [2] Nguyễn Phùng Quang (1998), Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha (tái bản lần thứ 1), Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội. [3] Nguyễn Phùng Quang (1998), “Máy điện dị bộ nguồn kép dùng làm máy phát trong hệ thống phát điện chạy sức gió: Các thuật toán điều chỉnh bảo

đảm phân ly giữa mômen và hệ số công suất”, Tuyển tập VICA 3, 413-437. [4] Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung (2003), Lý thuyết điều khiển phi tuyến, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [5] Nguyễn Doãn Phước (2002), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [6] Phùng Ngọc Lân (2001), Tổng hợp hệ thống điều khiển thiết bị phát điện chạy sức gió dùng máy điện dị bộ nguồn kép, kiểm chứng nguyên lý qua mô phỏng trên nền MATLAB & Simulink, Luận văn thạc sỹ, ĐHBK Hà Nội.

SUMMARY IMPROVING STABILITY OF THE WIND GENERATORS WHEN WOR K IN THE SYMMETRIC GRID BY METHOD BACKSTEPPING .

Dang Thi Loan Phuong∗

College of Information and Communication Technology - TNU

Wind generator using asynchronous motor squirrel cage rotor with the stator is connected directly to the grid while the rotor is connected to the grid through converters. The control parameters of the generator in order that they work in harmony with the grid is in the rotor circuit, as the rotor circuit has a smaller capacity, power control system is also small which leads to cost reduced significantly of the system. The study, design of the controller to ensure generator working stably to the grid is the current problem, which is attracting the attention of scientists and abroad. In this paper, the authors propose to utilize Bacstepping method to design controllers to improve the working stability of the generator to the grid. The simulation results show that the system meets the technical requirements laid out and feasibly applies in practice. Key words: Stability, method Backstepping, automatical control, wind generators, voltage grid, symmetric grid.

∗ Tel: 0944 899009, dangthiloanphuong468@gmail.com

Lại Khắc Lãi và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 214 - 219

212

Lại Khắc Lãi và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 213 - 218

213

ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUY ỀN CHO BÀI TOÁN ĐIỀU KHI ỂN TỐI ƯU ĐA MỤC TIÊU

Lại Khắc Lãi1*, Đặng Ngọc Trung2

1Đại học Thái Nguyên, 2ĐTrường ĐH Kỹ Thuật Công nghiệp- ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT Trong thực tế hiện nay hầu hết các bài toán điều khiển trong các dây chuyền công nghệ là bài toán tối ưu đa mục tiêu.Việc ứng dụng các giải thuật tính toán tiến hóa hứa hẹn nhiều triển vọng. Bài báo này trình bày một ứng dụng mới để giải bài toán tối ưu đa mục tiêu đó là dùng thuật toán giải thuật di truyền (GA-Genetic Algorithm), nội dung bài báo cho thấy tính ưu việt của giải thuật di truyền với quá trình tìm kiếm cực trị toàn cục. Từ khóa: Điều khiển tối ưu, Đa mục tiêu, Giải thuật di truyền.

∗ ĐẶT VẤN ĐỀ

Bài toán tối ưu đa mục tiêu có mặt hầu hết trong các bài toán điều khiển dây chuyền công nghệ hiện đại trong công nghiệp nói riêng và mở rộng ra nhiều lĩnh vực khác. Tuy nhiên chưa có nhiều nghiên cứu về các bài toán này. Hiện nay các đề tài khoa học chủ yếu mới chỉ giải quyết và ứng dụng các bài toán tối ưu một mục tiêu. Ví dụ ta xét công nghệ gia nhiệt phôi kim loại trong lò nung là một trong những quá trình có tham số biến đổi chậm, trong đó các hàm mục tiêu đặt ra với lò gia nhiệt như sau: nung nhanh nhất hoặc nung chính xác nhất, nung ít bị Ôxi hóa nhất; trong các bài toán điều khiển mức của dây truyền sản xuất nước ngọt thì các hàm mục tiêu có thể là: ổn định mức dung dịch H chính xác nhất hoặc thời gian ổn định nhanh nhất...

Đã có nhiều phương pháp tiếp cận khác nhau nhằm giải quyết các loại bài toán này, song gần đây việc ứng dụng các giải thuật tính toán tiến hóa đã bắt đầu cho thấy được ưu điểm nổi bật.Tuy vậy những nghiên cứu về lĩnh vực này trong nước ta chưa nhiều, nhất là chưa đưa ra được những mô hình ứng dụng thực tế cụ thể trong khi nhu cầu ứng dụng lại rất cao, đã có một số tác giả đề cập và nghiên cứu ví dụ như: trong [2] tác giả Nguyễn Mạnh Xuân đã sử dụng giải thuật tiến hóa để tìm lời giải tối ưu cho các hàm mục tiêu trong mô hình

∗ Tel: 0913 507464

bài toán phân bố dòng chảy và xử lý nước thải; trong [5] tác giả Lại Khắc Lãi đề cập đến việc sử dụng giải thuật di truyền để tối ưu hóa suy luận mờ... các kết quả nghiên cứu này mới chỉ dừng lại ở các hàm mục tiêu có sẵn, tính thực tiễn chưa cao. Đây chính là lý do mà đề tài này tập trung chủ yếu vào việc xây dựng bài toán tối ưu nhiều mục tiêu cho dây chuyền công nghệ thực tế và ứng dụng giải thuật di truyền (Genetic Algorithm – GA) để giải quyết bài toán tối ưu đó.

Nội dung bài báo với kết quả chạy chương trình tính toán bằng giải thuật di truyền và mô phỏng điều khiển với đối tượng là mức dung dich H trong bình trộn khuấy cho thấy tính ưu việt của việc sử dụng giải thuật di truyền với quá trình tìm kiếm cực trị toàn cục trên cơ chế chọn lọc thích nghi tự nhiên và cơ chế song song ẩn cho những bài toán tối ưu hoặc tối ưu đa mục tiêu và có thể triển khai để áp dụng rộng rãi cho nhiều đối tượng điều khiển và trong nhiều lĩnh vực như: khí tượng, thủy văn…

GIẢI THUẬT DI TRUYỀN

Khái quát giải thuật di truy ền

Giải thuật di truyền (GA – Genetic Algorithm) là giải thuật tìm kiếm, chọn lựa các giải pháp tối ưu để giải quyết các bài toán thực tế khác nhau, dựa trên cơ chế chọn lọc của tự nhiên: Từ tập lời giải ban đầu, thông qua nhiều bước tiến hóa, hình thành tập lời giải mới phù hợp hơn, và cuối cùng dẫn đến lời giải tối ưu toàn cục.

Lại Khắc Lãi và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 213 - 218

214

Các nhà khoa học đã nghiên cứu và xây dựng nên giải thuật di truyền dựa trên cơ sở chọn lọc tự nhiên và quy luật tiến hóa. Giải thuật di truyền sử dụng các thuật ngữ được lấy từ di truyền học như: lai ghép, đột biến, NST, cá thể… Ở đây mỗi cá thể được đặc trưng bởi một tập nhiễm sắc thể, nhưng để đơn giản khi trình bày, ta xét trường hợp tế bào mỗi cá thể chỉ một NST. Các NST được chia nhỏ thành các gen được sắp xếp theo một dãy tuyến tính. Mỗi cá thể (hay NST) biểu diễn một lời giải có thể của bài toán. Một xử lý tiến hóa duyệt trên tập các NST tương đương với việc tìm kiếm lời giải trong không gian lời giải của bài toán.

Giải thuật di truyền có thể mô tả vắn tắt như sau:

Proceduce Giải_thuật_di_truyền; Begin t:=0; Khởi tạo ngẫu nhiên quần thể P(t); Đánh giá độ phù hợp từng cá thể trong P(t); Repeat t:= t + 1; Chọn các cá thể từ P(t – 1); Lai tạo các cá thể đã chọn tạo ra P(t) mới; Đột biến các cá thể trong P(t) theo xác suất Pm; Đánh giá độ phù hợp các cá thể trong tạp P(t); Until (thỏa mãn điều kiện dừng); End;

Các kỹ thuật trong giải thuật di truy ền

Giải thuật di truyền kinh điển sử dụng mã hóa nhị phân, mỗi cá thể được mã hóa là một chuỗi nhị phân có chiều dài cố định.

Mã hóa- biểu diễn các biến bằng vec tơ nhị phân

Ta sử dụng véctơ nhị phân có độ dài L như một NST để biểu diễn giá trị thực của biến

[ ]; .x xx l u∈ Độ dài L của NST phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của bài toán. Một bit mã hóa x ứng với một giá trị trong khoảng

0;2L sẽ được ánh xạ lên giá trị thực thuộc miền [ ]; .x xl u Nhờ đó, ta có thể kiểm soát miền giá trị của các biến và tính chính xác của

chúng. Tỷ lệ co giãn của ánh xạ được tính như sau:

Giá trị x tương ứng với chuỗi NST nhị phân

là: ( )* .xx l decimal NST g= + Trong đó,

( )decimal NST là giá trị thập phân của chuỗi

NST nhị phân và 2

x x

L

u lg

−=

Khởi tạo quần thể

Để khởi tạo quần thể, chỉ cần đơn giản tạo pop – size (kích cỡ quần thể) nhiễm sắc thể ngẫu nhiên theo từng bit. Phần còn lại của thuật giải di truyền rất đơn giản: Trong mỗi thế hệ, ta lượng giá từng NST (tính giá trị của hàm f trên các chuỗi biến nhị phân đã được giải mã), chọn quần thể mới thỏa mãn phân bố xác suất dựa trên độ thích nghi và thực hiện các phép đột biến và lai để tạo ra các cá thể thế hệ mới. Sau một số thế hệ, khi không còn cải thiện thêm được gì nữa, NST tốt nhất sẽ được xem như lời giải của bài toán tối ưu (thường là toàn cục).

Hàm thích nghi

Sau khi khởi tạo quần thể hoặc ở thời điểm các thế hệ mới được tạo thành, chúng ta phải sử dụng hàm thích nghi để đánh giá mức độ thích nghi của mỗi nhiễm sắc thể nhằm có cơ sở cho việc lựa chọn bố mẹ cho các phép lai tạo và đột biến.

Các phương pháp xác định độ thích nghi:

+ Xác định theo tỷ lệ thích nghi (Fitness scaling )

+ Xác định theo phương pháp cửa sổ thích nghi (Fitness windowing )

+ Xác định theo thứ hạng thích nghi (Fitness ranking )

Toán tử chọn lọc

Ở mỗi thế hệ, dựa trên gí trị của hàm thích nghi, các cá thể có độ thích nghi tốt sẽ được chọn lọc để tạo thành quần thể ở thể ở thế hệ mới và chuẩn bị cho việc thực hiện các phép toán lai ghép và đột biến sau này.

Một số phép chọn lọc thường được sử dụng bao gồm:

Lại Khắc Lãi và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 213 - 218

215

+ Sử dụng bánh xe Roulette

+ Chọn lọc xếp hạng

+ Chọn lọc cạnh tranh

Toán tử lai ghép

Trong giải thuật di truyền, số lượng các cá thể trong quần thể ở mỗi thế hệ là không đổi. Phép chọn lọc đã chọn ra một số cá thể có độ thích nghi cao và loại bỏ đi một số cá thể thích nghi thấp. Sự thiếu hụt số lượng cá thể trong quần thể mới sẽ được bù đắp bằng lấy các cá thể thích nghi cao là thế hệ cha mẹ, tạo ra các thế hệ con bằng phép lai ghép và đột biến trên các cá thể thích nghi cao này.

Một số phương pháp lai ghép:

+ Lai ghép một điểm

+ Lai ghép nhiều điểm

+ Lai ghép mặt nạ

Toán tử đột biến

Đột biến là thay đổi các bít trên chuỗi nhiễm sắc thể một cách ngẫu nhiên để tạo ra tính đa dạng. Phép đột biến được điều khiển bởi xác suất đột biến Pm. Nếu không đột biến thì giải thuật chỉ đi tìm kiếm lời giải ở không gian khởi tạo. Tuy nhiên, nếu Pm quá lớn, quá trình tìm kiếm trở thành tìm kiếm ngẫu nhiên.

Các phương pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu

Mô hình toán học của bài toán →

∈ ⊂ n

Y (X ) m in (m ax)

X D R

∈ k1 kY(X) = (Y (X), ...,Y (X)) R gọi là véc tơ

mục tiêu. X gọi là phương án, D là tập các phương án.

Y1,…,Yk gọi là các hàm mục tiêu.

Khi xử lý tập nghiệm Pareto, vai trò của người sử dụng (NSD) hay người nhận lời giải của bài toán đóng vai trò quan trọng. NSD sẽ căn cứ vào lợi ích của mình để chọn phương án cho hợp lý, cách đó gọi là kết hợp QHĐMT với NSD. Có thể nói lợi ích ở đây là một hàm U : Y(D) R→ thường được giả thiết thỏa mãn một vài điều kiện nào đó dùng để đo sở thích của NSD.

Phương pháp nhượng bộ dần

B1: Giải k bài toán một mục tiêu riêng rẽ, sau đó lập bảng thưởng phạt.

B2: Căn cứ vào bảng thưởng phạt, với giá trị Y1

0 NSD buộc Y1 nhượng bộ một lượng ∆Y1 và giải bài toán:

2max Y (X) với X∈D; Y1(X)≥Y10 - ∆Y1

Giả sử Y2* là trị tối ưu của bài toán này,

chuyển sang B3.

B3: NSD căn cứ vào Y20 và Y2

* buộc Y2 nhượng bộ lượng ∆Y2 và giải bài toán:

3max Y (X) với X∈D; Y1(X)≥Y10 - ∆Y1;

Y2(X) ≥Y2* - ∆Y2;

Giả sử Y3* là trị tối wucuar bài toán này,

chuyển tiếp sang bước tiếp….

Bk: NSD căn cứ vào Yk-10 và Yk-1

* buộc Yk-1 nhượng bộ lượng ∆Yk-1 và giải bài toán:

kmax Y (X) với X∈D; Y1(X)≥Y10 - ∆Y1;

Y2(X) ≥Y2* - ∆Y2;...,Yk-1(X) )≥Yk-1

*- ∆Yk-1;

Nghiệm của bài toán cuối cùng này lấy làm nghiệm của bài toán.

Phương pháp thỏa hiệp

B1: Giải k bài toán một mục tiêu riêng rẽ, giả sử nghiệm tối ưu là Xi (i=1,…,k).

Đặt Mi = Yi(X i) và đưa vào biến phụ W:

M ( )Wi i i

i

Y X

M

− ≤ với mọi i= 1,…,k

Vế trái trong công thức trên gọi là độ lệch tương đối chung.

B2: Giải bài toán min W với X∈D từ đó tìm được nghiệm tối ưu X0 và W0

Trong trường hợp này, lợi ích tỷ lệ với độ lệch tương đối, phương án X1 là tốt hơn X2 nếu độ lệch tương đối chung của X1 nhỏ hơn X2.

Phương pháp tìm nghiệm có khoảng cách nhỏ nhất đến nghiệm lý tưởng

Phương pháp này giả định có một nghiệm lý tưởng , X1 tốt hơn X2 nếu khoảng cách từ X1 đến nghiệm lý tưởng nhỏ hơn khoảng cách tương ứng của X2.

Lại Khắc Lãi và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 213 - 218

216

Định nghĩa: Giả sử X1, X2 ∈Rn, khoảng cách giữa X1 và X2 là số dα xác định bởi:

1 2

i id X Xα

α = −∑ α là tham số α>1

Khi đó bài toán maxY(X) với X∈D đưa về bài toán

*min ( )i iY X Yα

−∑

Vấn đề xác định tham số α phụ thuộc vào từng bài toán.

ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN CHO BÀI TOÁN TỐI ƯU ĐA MỤC TIÊU

Đặt bài toán Giả sử điều khiển mức dung dịch H trong bình khuấy trộn theo sơ đồ điều khiển và sơ đồ khối như hình 1 dưới đây

Trong đó:

+ Hàm truyền đạt của bộ chuyển đổi dòng điện – khí nén (I/P):

=

−−=

∆∆

=mA

mmKG

I

PK

2

max

max /5,0

420

002,001,0

+ Hàm truyền đạt của van: tín hiệu vào là áp suất khí nén và tín hiệu ra là lưu lượng nước cấp thông qua cơ cấu van:

1 1 2 2

50 125W( ) ( ) ; W( ) ( )

1 0,01 1 0,01V T V Ts W s s W ss s− −= = = =

+ +

Hình 1. Sơ đồ điều khiển mức của bình trộn

+ Hàm truyền đạt của thiết bị đo mức: tín hiệu

vào là khoảng cách và tín hiệu đầu ra là điện áp:

0,016W ( )

1 0,005H ss

=+

Bài toàn tối ưu đặt ra ở đây là thiết kế bộ điều khiển PD sao cho ổn định mức dung dịch H chính xác nhất và thời gian ổn định nhanh nhất, tương ứng với hai hàm mục tiêu như sau:

Hình 2. Sơ đồ khối điều khiển mức

Mục tiêu 1: 2

1 ( )J e t dt min= →∫

Mục tiêu 2: 2 ( )J e t dt min= →∫

Từ hình 2 tính toán và rút ra được phương trình vi phân:

2

D P20,015. (1,4 1) 1,4. . 0

d e deK K e

dt dt+ + + =

Ta có phương trình đặc trưng là:

2

D P0,015. (1,4 1) 1,4. 0k K k K+ + + =

Với điều kiện 0∆ > thì phương trình trên có một nghiệm riêng là

1 2k t k t( )e t e e= +

Chọn P25 100K≤ ≤ suy ra

D1,35 50K≤ ≤

Trong đó:

( )

( )

2

D D PD1

2

D D PD2

1,4 1 1,4 1 0,084.1,4 1

0.03 0.03

1,4 1 1,4 1 0,084.1,4 1

0.03 0.03

K K KKk

K K KKk

− − − + −− − − ∆ = = − − + + −− − + ∆= =

Thay t=3(s) cuối cùng ta có được bài toán tối ưu hai muc tiêu điều khiển mức dung dịch H như sau:

Lại Khắc Lãi và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 213 - 218

217

( )1 21 2

1 2

2 t 2

1

1 1 2 2

2

1 2

P

D

1 2 1

2 2

25 100

1,35 50

k k tk k t

k t k t

J e e e mink k k k

e eJ min

k k

K

K

+ = + + → + = + →

≤ ≤

≤ ≤

Giải quyết bài toán

Dùng thuật toán giải thuật di truyền viết trên phần mềm Matlab với quần thể khởi tạo ban đầu gồm 30 cá thể, sau các bước lai ghép, chọn lọc, đột biến giải bài toán đa mục tiêu trên ta thu được kết quả tối ưu của bộ giá trị (KP và KD) sau: K P = 25.895; KD = 18.349 làm cho J1 và J2 min. Vậy đó chính là bộ giá trị tối ưu của bộ điều khiển PD trong sơ đồ điều khiển mức trên với lưu đồ thuật toán của giải thuật di truyền như hình 3.

Hình 4. Kết quả mô phỏng với bộ thông số tối ưu

KP = 25.895; KD = 18.349

Hình 5. Kết quả mô phỏng với bộ thông số tối ưu

và bộ thông số khác

Các kết quả mô phỏng được chỉ ra trên hình 4 và hình 5. Trong đó: Hình 4 ứng với các thông số tối ưu tìm được bằng giải thuật di

truyền còn Hình 5 là đáp ứng quá độ ứng với bộ thông số tối ưu và nộ thông số khác.

Hình 3. Lưu đồ thuật toán

KẾT LUẬN

Qua kết qủa mô phỏng trên Matlab Simulink với các bộ giá trị của (KP và KD) lấy từ tập nghiệm của thuật toán giải thuật di truyền, ta có thể tìm thấy một bộ nghiệm tối ưu mà ở đó ta thấy chất lượng điều khiển mức dung dịch H tăng rõ rệt, độ sai lệch và thời gian quá độ đều nhỏ hơn so với các bộ giá trị khác. Với kết quả này cho phép mở rộng hướng thiết kế bộ điều khiển PID tối ưu cho các dây chuyền công nghệ và đây cũng chính là hướng mới trong tính toán mềm sẽ được áp dụng trong các bài toán tối ưu thực tế trong tương lai.

Lại Khắc Lãi và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 213 - 218

218

TÀI LI ỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Doãn Phước, Phan Xuân Minh, Hán Thành Trung (2003), Lý thuyết điều khiển phi tuyến, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [2]. Vũ Mạnh Xuân (2006) “Tính toán tiến hóa trong tối ưu đa mục tiêu” Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ - Mã số: B2006 TN01 – 04. [3]. Nguyễn Thương Ngô (1999), Lý thuyết điều khiển tự động hiện đại, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật. [4]. Vũ Mạnh Xuân, Nguyễn Thanh Thủy (2007) “Giải thuật di truyền với các gen phụ thuộc nhau”,

báo cáo Hội thảo Quốc gia “Ngiên cứu cơ bản và ứng dụng công nghệ thông tin”. [5]. Lại Khắc Lãi (2001) “Thiết kế hệ điều khiển mờ nhờ sử dụng thuật gen” Tạp chí Khoa học công nghệ trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, trang 10-16. [6]. Nguyễn Đình Thúc (2001), Lập trình tiến hóa, Nhà xuất bản Giáo dục. [7]. Goldberg, D.E. (1989), Genetic Algorithm in search, optimization and machine learning, Addsion – Wesley, Reading, MA.

SUMMARY APPLICATION GENETIC ALGOTITHM TO SOLVE MULTI-OBJECT IVE OPTIMIZATION PROBLEMS

Lai Khac Lai 1∗, Dang Ngoc Trung2

1 Thai Nguyen University, College of Technology - TNU

In fact today most of the control problem in the technology chain optimization problems are multi-purpose. Application of evolutionary computation algorithms promising prospects. This article presents a new application to solve multi-objective optimization algorithm that uses genetic algorithms (GA-Genetic Algorithm), contents of the article shows the superiority of genetic algorithm with the process of finding a global extremum. Key words: Optimization control; Multi objective; Genetic Algorithm.

∗ Tel: 0913 507464

Lại Khắc Lãi và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 219 - 225

219

THI ẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHI ỂN HÒA LƯỚI CHO MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ SỬ DỤNG MÁY ĐIỆN CẢM ỨNG NGUỒN KÉP DFIG

Lại Khắc Lãi1*, Dương Quốc Hưng2, Tr ần Thị Thanh Hải2

1Đại học Thái Nguyên, 2Trường ĐH Kỹ Thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT

Với sự xâm nhập ngày càng tăng của năng lượng gió vào lưới điện. máy phát điện sức gió DFIG (Doubly-Fed Induction Generator) đang ngày càng được triển khai. Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu của việc nối máy phát điện DFIG với lưới điện, trên cơ sở thiết kế các bộ điều khiển cho các bộ biến đổi độ rộng xung PWM phía Roto và phía lưới. Phương pháp điều khiển vectơ từ thông được áp dụng cho cả hai bộ biến đổi phía Stato (phía lưới) và phía Roto, để điều khiển độc lập tốc độ, dòng điện, điện áp, công suất tác dụng và công suất phản kháng đồng thời giữ cho điện áp một chiều (DC – link) bằng hằng số. Từ khóa: Máy phát điện sức gió; Hoà lưới điện; DFIG generator; PID controller, control wind generator; Variable-speed wind turbine, Doubly-Fed induction generator; back-to-back PWM converter.

∗MỞ ĐẦU

Hiện nay nguồn năng lượng sạch bao gồm: Năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sinh khối… khá dồi dào, có khả năng thay thế nguồn năng lượng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trường. Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu sản xuất ra các nguồn năng lượng sạch, chủ yếu dựa trên năng lượng mặt trời và năng lượng gió [2], [3], [4]. Nhằm mục đích xây dựng một mạng lưới điện thông minh, đảm bảo yêu cầu: Phụ tải sử dụng năng lượng sạch, nếu thừa sẽ phát lên lưới, nếu thiếu sẽ sử dụng năng lượng từ lưới. Hệ thống máy phát điện sức gió lợi dụng gió để làm quay tuabin máy phát tạo ra điện đang được ứng dụng nhiều trong thực tế.

Với loại tuabin gió tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và lưới thì hệ thống sẽ cồng kềnh, tốn kém, do bộ biến đổi cũng phải có công suất bằng công suất của toàn tuabin.

Loại tuabin gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG, với Roto dây quấn và Roto được nối với lưới điện thông qua một bộ Back-to-Back Converter. Còn Stato của DFIG được ∗ Tel: 0913 507464

nối trực tiếp với lưới điện, điều khiển DFIG thông qua điều khiển bộ Back-to-Back Converter này. Vì bộ điều khiển nằm phía Roto nên công suất thiết kế chỉ bằng 1/3 công suất Stato, dẫn đến giá thành rẻ hơn nhiều. Đã có những nghiên cứu nhằm thiết kế ra bộ điều khiển để điều khiển dòng roto máy phát dựa trên các bộ điều khiển PID hoặc điều khiển mờ [5], [6]. Tuy nhiên các bộ điều khiển này chưa tập trung triệt để điều khiển cùng lúc điện áp, dòng điện, công suất cả phía stato, roto. Dạng dòng điện, điện áp phát ra chưa đạt dạng sin chuẩn, tần số dòng điện chưa ổn định, thời gian xác lập khi tốc độ gió thay đổi còn lớn.

Bài báo đưa ra phương án thiết kế bộ điều khiển cho bộ biến đổi Back-to-Back Converter dựa trên bộ điều khiển kinh điển PI. Tổng hợp dòng, áp. Đo công suất (P, Q) của lưới, của máy phát để đưa ra phương pháp điều khiển dòng kích từ Rotor máy phát DFIG, nhằm ổn định điện áp, tần số, công suất máy phát và phát năng lượng này lên lưới điện quốc gia trong khoảng thời gian ngắn nhất.

MÔ TẢ TOÁN HỌC HỆ THỐNG MÁY PHÁT DFIG

Hệ thống máy phát DFIG được mô hình hoá trong hệ tọa độ dq như hình 1.

Lại Khắc Lãi và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 219 - 225

220

Hình 1. Mô hình hệ thống máy phát DFIG trong

hệ toạ độ không gian vectơ

Bộ Back-to- Back Converter gồm bộ biến đổi phía lưới (Grid Side Converter - GSC) và bộ biến đổi phía máy phát (Machine Side Converter - MSC). Giữa GSC và lưới có đặt một bộ lọc nhằm lọc bớt những sóng hài bậc cao gây ra bởi bộ GSC.

Mô tả toán học máy điện DFIG

Hình 2 trình là sơ đồ thay thế tương đương của DFIG được mô tả trong hệ toạ độ không gian véctơ của Stato.

Hình 2. Sơ đồ hình thay thế của DFIG trong hệ

toạ độ không gian véctơ

Trong đó: Rs là điện trở cuộn dây stato; LM là điện cảm từ hóa; Lσ là điện cảm Stato và Roto được quy về stato; RR kà điện trở roto qui về stato.

Chữ s có nghĩa là không gian véctơ được tham chiếu đến Stato của DFIG.

Theo [2], và viết phương trình Kirhoff cho các mạch vòng:

ss s ss s s

du R i

dt

ψ= + s

s s RR R R

du R i

dt

ψ= +

Chữ s chỉ ra rằng hệ toạ độ gắn với Stato. Từ trường Stato, Roto, Mômen điện từ được xác định bằng các biểu thức sau: = LM(iss + isR) sR = Lσi

sR + LM (i

ss +isR) = Ψs

s + LσisR

Te = 3ZpIm[Ψsi*R]

Trong đó: LM: Điện cảm từ hoá

Lσ: Điện cảm quy đổi 2

s r

s M

M

L L L

L L

L

s l l

l

= g + l

+l =

λ: Hệ số quy đổi

s rL ;L :l l Điện cảm Stato; Roto

Zp: Số đôi cực từ của máy phát

Phương trình động lực học cơ khí có dạng:

re s

p

J dT T

Z dt

ω = −

J: Mô men quán tính

ωr: Vận tốc góc của Roto

Te: Mômen điện từ

Ts: Mômen cơ trên trục Roto

Mô tả toán học bộ lọc phía lưới

Bộ lọc gồm điện trở Rf và điện cảm Lf , Sơ đồ thay thế như hình 3.

Hình 3: Mô hình bộ lọc phía lưới trong hệ toạ độ

không gian véctơ

Theo [2], viết phương trình Kirhoff trong hệ toạ độ dq, ta được:

ss s sfg f f f f

diE R i L u

dt= − − +

Mô tả toán học bộ DC - Link

Mô hình của bộ DC - Link được trình bày như hình 4.

Hình 4. Mô hình DC - Link Năng lượng Wdc được lấy trên tụ C và được tính bằng biểu thức sau:

Lại Khắc Lãi và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 219 - 225

221

2dc dc dc

1W C U

2=

2dcdc dc f r

dW 1 dC u P P

dt 2 dt= = − −

dc dc dc f r

dC u u P P

dt= − −

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG MÁY PHÁT DFIG

Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống

Sơ đồ Cấu trúc hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió DFIG được trình bày như hình 5.

Hình 5. Hệ thống điều khiển máy phát điện DFIG

Bộ biến đổi phía máy phát (MSC) điều khiển tốc độ của máy phát để đạt được công suất tối đa, dựa trên một số mạch vòng điều khiển tốc độ, điều khiển công suất và điều khiển dòng điện. Tín hiệu vào của bộ điều khiển tốc độ được lấy từ điểm công suất cực đại (maximum power point – MPP) được tính toán từ vận tốc của cơn gió. Đầu ra của bộ điều khiển tốc độ trở thành tín hiệu đặt cho mạch vòng điều khiển công suất. Mạch vòng dòng điện sẽ theo dõi công suất bằng bộ điều khiển dòng điện. Bộ điều khiển dòng điện được gắn trên hệ trục toạ độ dq trùng với trục của Roto máy phát.

Bộ biến đổi phía lưới (GSC) điều khiển điện áp một chiều DC (Udc). Để làm được điều này ta cần thiết kế mạch vòng điều khiển điện áp để được dòng điện trục d (I*d). Dòng điện (I*d) trở thành đầu vào của bộ điều khiển dòng điện

điều khiển công suất tác dụng P. Bộ biến đổi này cũng có thể được sử dụng để điều khiển công suất phản kháng Q, bằng cách sử dụng mạch vòng điều khiển dòng điện trên trục q (Id).

Thiết kế bộ điều khiển phía máy phát

* M ạch vòng điều khiển dòng điện

Sơ đồ cấu trúc của vòng kín điều khiển dòng điện phía Roto như hình 6.

Hình 6. Mạch vòng dòng điện phía Roto

Hàm truyền từ u’R đến iR sẽ là:

R s a

1G(p)

pL R R Rσ

=+ + +

Các hệ số của bộ điều khiển PI là:

^ ^ ^

R sp c i c ak L ;k (R R R )σ= α = α + +

αc: Giải thông vòng lặp kín của hệ động lực học dòng điện; Ký hiệu “^” chỉ các thông số ước lượng.

^ ^ ^

R sa R cR k ( L R R )σ= α − −

* M ạch vòng điều khiển công suất Cấu trúc mạch vòng điều khiển công suất có dạng như hình 7.

Hình 7. Bộ điều khiển công suất P, Q

Công suất biểu diễn theo từ trường của Stato như sau:

2s s s 1 sd sq sq sd

s 1 sd sd sq sq

P 3R i 3 ( i i )

Q 3 ( i i )

= + ω ψ − ψ

= ω ψ + ψ

Lại Khắc Lãi và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 219 - 225

222

Trong đó Ps và Qs lần lượt là công suất tác dụng và công suất phản kháng Stato. P*ref và Q*ref là công suất tác dụng và công suất phản kháng đặt (P*ref được lấy từ đầu ra của mạch vòng điều khiển tốc độ, Q*ref đặt bằng 0). Tín hiệu ra của mạch vòng điều khiển công suất là i*rd và i*rq trở thành tín hiệu đặt cho mạch vòng dòng điện.

* M ạch vòng điều khiển tốc độ

Cấu trúc mạch vòng điều khiển tốc độ có dạng như hình 8.

Hình 8. Bộ điều khiển tốc độ

Trong đó nMF là tốc độ quay của máy phát (đo trên trục Roto của máy phát); n*ref là tốc độ đặt của mạch vòng điều khiển tốc độ (n*ref được lấy từ đầu ra của bộ theo dõi công suất cực đại – “MPT” (Maximum Power Tracking). n*ref được tính theo công thức:

opt*ref

60 nn v

2 R

λ=

π Trong đó: λopt là mômen trên trục của hộp bánh răng nối tuabin gió và máy phát; v là tốc độ gió; n là tỉ số truyền của bánh răng (Gearbox).

Thiết kế bộ điều khiển phía lưới * M ạch vòng điều khiển dòng điện Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện phía lưới được cho như hình 9.

Hình 9. Mạch vòng điều khiển dòng điện phía lưới

Hàm truyền của mạch vòng trong sẽ trở thành

f1

f f f af

i (p) 1G (p)

u ' (p) L p R R= =

+ +

Chọn: ^ ^

f faf fR L R= α − thì hàm truyền của

hệ thống sẽ là:

g fE i 2

f f

pG (p)

L (p )=

+ α

Cuối cùng luật điều khiển cho mạch vòng điều khiển dòng điện phía lưới được viết như sau:

^refif

ff pf f f af 1 f

ku k (i i ) (R j L )i

p

= + − − − ω

Trong đó: ^ ^ ^

2f f fpf f if f af f

^ ^

f faf f

k L ; k (R R ) L ;

R L R

= α = α + = α

= α −

* Mạch vòng điều khiển điện áp DC - Link Mạch vòng điều khiển điện áp DC - Link được trình bày như hình 10.

Hình 10. Mạch vòng điều khiển DC - Link

Hàm truyền G’(p) có dạng:

g'' ref

dc g afq

6EW(p)G (p)

pC 6E Gi (p)

−= =

+

Chọn bộ điều khiển là PI. ^

dc1 a

g,nom

a a C a GF(p) G (p)

p 6E p−ω ω ω= = − −

Nếu chọn ^

dca g,momG a C / (6E )ω=

thì:PW 2 2

dc

2pG (p)

C (p 2a p a )ω ω

−=+ ζ + ζ

Trong đó: ^

dcgq g,mom dcE / E ; C Cζ = =

Với: gq g,momE E ; 1= ζ = thì

PW 2

dc

2a pG (p)

C (p a )ω

ω

−=+

Lại Khắc Lãi và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 219 - 225

223

Hình 11. Mô hình mô phỏng hệ thống điều khiển máy phát điện sức gió DFIG trên Simulink – Plecs

Các thông số phục vụ cho quá trình mô phỏng được cho như sau:

Công suất thiết kế: Pm = 1.5 MW

Điện áp thiết kế: Ul = 575 V

Tần số: f = 50 Hz

Tỉ số vòng dây Stato/Roto: N = 1

Điện trở Stato: Rs = 0.0014 Ω

Điện trở Roto: Rr = 0.992 mΩ

Điện cảm Stato: Lsλ = 89.98 µH

Điện cảm Roto: Lrλ = 82.09 µH

Điện cảm từ hoá: Lm = 1.53 mH

Số đôi cực từ: Zp = 2

Tụ C (DC – link): C = 38 mF

Mô men quán tính Gearbox: J = 5 kg.m2

Tỉ số truyền bộ Gearbox: n = 1:75,71

Bán kính tuabin: R = 35 m

Tốc độ gió cao: Vmax = 12m/s

Tốc độ gió thấp: Vmin = 10.5 m/s

Lại Khắc Lãi và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 219 - 225

224

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN

SIMULINK – PLECS

Sơ đồ mô phỏng hệ thống như hình 11.

+ Với tốc độ gió 12m/s công suất phát cực đại của máy phát đạt xấp xỉ 1,5MW (giá trị âm thể hiện máy phát năng lượng lên lưới). Lúc này tốc độ của máy phát là gần 2000v/ph. Khi tốc độ gió giảm xuống 10.5m/s làm cho công suất phát cực đại của máy phát giảm xuống 1MW và tốc độ quay của máy phát giảm xuống 1600v/ph (hình 12) thời gian để xác lập tốc độ quay của máy phát khi tốc độ gió giảm từ 12m/s xuống 10.5m/s.

(tương ứng tốc độ máy phát giảm từ 2000v/ph xuống 1600v/ph) chỉ mất khoảng 0,6s (rất nhanh).

Hình 12. Tốc độ máy phát, công suất máy phát và

công suất phát lên lưới của hệ thống DFIG.

Dòng điện, điện áp Stato, Roto được trình bày như hình 13. Dòng điện Stator phát lên lưới có dạng hình sin chuẩn, có biên độ và tần số ít biến đổi (f = 50Hz) khi tốc độ gió giảm đột ngột từ 12m/s xuống 10.5m/s. Biên độ cực đại của điện áp Roto là 183V (bằng giá trị đặt).

Điện áp một chiều DC – Link có dạng như hình 14. Điện áp một chiều thực tế trên tụ C rất bằng phẳng, gần như không có sóng hài bậc cao và có biên độ bằng giá trị đặt (1200V).

Hình 13. Dòng điện và điện áp của máy phát

Hình 14. Dòng điện Idc in, điện áp một chiều Vdc

và công suất một chiều Pdcin

KẾT LUẬN

Bài báo đã trình bày tổng quan hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép DFIG, từ đó xây dụng mô hình toán học của hệ thống.

Xây dựng các bộ điều khiển (bộ điều khiển từ thông máy phát, bộ điều khiển phía lưới, bộ điều khiển góc cánh) để lấy công suất cực đại từ gió của hệ thống phát điện sức gió, đồng thời phát năng lượng này lên lưới điện quốc gia.

Lại Khắc Lãi và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 219 - 225

225

Tiến hành mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab – Simulink - Plecs và đã đưa ra kết quả mô phỏng. Các kết quả mô phỏng thể hiện một cách trung thực, khẳng định tính đúng đắn của việc xây dựng các bộ điều khiển.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Phùng Quang; “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ phát điện bằng sức gió có công suất 10 – 30 KW phù hợp với điều kiện Việt Nam”, Phòng Thí nghiệm Tự động hóa Trường đại học Bách khoa Hà Nội, (2007) [2]. ANDREAS PETERSSON; “Thesis for the degree of doctor of philosophy”. Division of Electric Power Engineering Department of Energy and Environment, CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, G¨oteborg, Sweden 2005.

[3]. CAMILLE HAMON, “Doubly-fed Induction Generator Modeling and Control in DigSilent Power Factory”, Master’s Thesis at KTH School of Electrical Engineering [4]. J. Bendl, M. Chombt, and L. Schreier, “Adjustable-speed operation of doubly fed machines in pumped storage power plants”, in Proc. Ninth International Conference on Electrical Machines and Drives, Sep., 1–3, 1999, pp. 223–227. [5]. Alfeu J. Sguarezi Filho and Ernesto Ruppert, “A Direct Power Controller for Doubly-Fed Induction Generator”, European Association for the Development of Renewable Energies, Environment and Power Quality (EA4EPQ. [6]. M.A. Dami, K. Jemli*, M. Jemli and M. Gossa, “Doubly fed induction generator, with crow-bar system, under micro-interruptions fault”, Revue des Energies Renouvelables Vol. 13 N°4 (2010) 653 – 668.

SUMMARY DESIGN CONTROLLER TO CONNECT TO THE ELECTRICAL GRID FOR WIND GENERATOR USE DOUBLY FED INDUCTION GENERATOR ( DFIG)

Lai Khac Lai 1∗, Duong Quoc Hung2, Tran Thi Thanh Hai 2

1 Thai Nguyen University, College of Technology - TNU

With increased penetration of wind power into electrical grids, DFIG wind turbines are largely deployed. The article presents the results of studies of the DFIG generator connected to the grid, based on the design of controllers for the PWM pulse width changes the rotor and the grid. Stator-Flux Oriented vector control approach is deployed for both stator and rotor - side converters to provide independent control of speed, current, voltage, active and reactive power and keep the DC-link voltage constant. Key words: PID controller, control wind generator; Variable-speed wind turbine, Doubly-Fed induction generator; back-to-back PWM converter.

∗ Tel: 0913 507464

Lại Khắc Lãi và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 219 - 225

226

Bạch Phương Vinh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 227 - 231

227

ỨNG DỤNG BẢN ĐỒ TƯ DUY TRONG DẠY HỌC GIẢI TOÁN HÌNH H ỌC 9 GÓP PHẦN RÈN LUYỆN CHO HỌC SINH MỘT SỐ HOẠT ĐỘNG TRÍ TUỆ

Bạch Phương Vinh*

Trường Đại học Sư phạm – ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT

Bản đồ tư duy (BĐTD) còn gọi là sơ đồ tư duy, lược đồ tư duy,… là hình thức ghi chép nhằm tìm tòi, đào sâu, mở rộng ý tưởng, hệ thống hóa một chủ đề hay một mạch kiến thức... bằng cách kết hợp việc sử dụng đồng thời hình ảnh, đường nét, mầu sắc, chữ viết phù hợp với cấu trúc, hoạt động và chức năng của bộ não, với sự tư duy tích cực không những tạo cho học sinh (HS) sự hứng thú trong học tập mà còn góp phần thực hiện đổi mới phương pháp dạy học (PPDH) ở trường phổ thông. Do vậy, có thể ứng dụng BĐTD trong dạy học giải toán hình học lớp 9 góp phần phát triển cho HS một số hoạt động trí tuệ (HĐTT). Từ khóa: hoạt động trí tuệ, phân tích, tổng hợp, chứng minh, học sinh.

∗Phát triển tư duy cho HS và giảng dạy kiến thức về toán học luôn là một trong những nhiệm vụ quan trọng hàng đầu của người giáo viên (GV) dạy toán. Nhằm hướng HS đến một phương pháp (PP) học tập tích cực và tự chủ, người thầy không chỉ cần giúp HS khám phá các kiến thức mới mà còn phải giúp HS hệ thống được những kiến thức đó. Việc xây dựng được một “hình ảnh” thể hiện mối liên hệ giữa các kiến thức sẽ mang lại những lợi ích đáng quan tâm về các mặt: ghi nhớ, phát triển nhận thức, tư duy, óc tưởng tượng và khả năng sáng tạo… Một trong những công cụ hết sức hữu hiệu để tạo nên các “hình ảnh liên kết” là BĐTD.

Bài viết này nhằm giới thiệu tóm lược nguyên lý nền tảng của BĐTD, ứng dụng BĐTD trong dạy học giải toán hình học 9 sử dụng phần mềm vẽ BĐTD Concept Draw Mindmap Pro.v5.2.2 (tải từ mạng internet), góp phần rèn luyện cho HS một số HĐTT.

KHÁI NI ỆM, NGUYÊN LÝ VÀ CÁCH LẬP BẢN ĐỒ TƯ DUY

BĐTD (Mind Map) là một hình thức ghi chép sử dụng màu sắc và hình ảnh, để mở rộng và đào sâu các ý tưởng [5]. Kỹ thuật tạo ra loại

∗ Email: bachvinhtn@yahoo.com

bản đồ này gọi là Mind Mapping và được phát triển bởi Tony Buzan vào những năm 1960.

BĐTD là một công cụ tổ chức tư duy. Đây là PP dễ nhất để chuyển tải thông tin vào bộ não của bạn rồi đưa thông tin ra ngoài bộ não. Nó là một phương tiện ghi chép đầy sáng tạo và rất hiệu quả theo đúng nghĩa của nó, “Sắp xếp” ý nghĩ của bạn.

BĐTD là một lược đồ được sử dụng để thể hiện từ ngữ, ý tưởng, nhiệm vụ, hay các mục được liên kết và sắp xếp tỏa tròn quanh từ khóa hay hình ảnh trung tâm. BĐTD là một PP đồ họa thể hiện ý tưởng và khái niệm. Trong BĐTD, thông tin được cấu trúc hóa theo cách giống như bộ não HĐ.

BĐTD có thể được tạo ra bằng nhiều cách khác nhau: trên giấy, trên bảng hoặc trên máy tính với các phần mềm ứng dụng hay các phần mềm tạo BĐTD...

Với cách thể hiện gần như cơ chế

HĐ của bộ não, BĐTD có ý nghĩa quan trọng trong dạy học vì nó đem lại một cách tiếp cận mới, phi tuyến trong việc kiến tạo ý tưởng, kiến thức và suy nghĩ, nên nó làm chuyển biến tích cực mối tương tác giữa giáo viên và HS, sẽ giúp cho việc dạy học sáng tạo hơn, tiết kiệm thời gian, ghi nhớ tốt hơn, nhìn thấy bức tranh tổng thể, biết tổ chức và phân loại

Bạch Phương Vinh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 227 - 231

228

suy nghĩ. Tony Buzan là người đi đầu trong việc nghiên cứu tìm ra HĐ của bộ não. Theo Tony Buzan thì “một hình ảnh có giá trị hơn cả ngàn từ” và “màu sắc cũng có tác dụng kích thích não như hình ảnh. Màu sắc mang đến cho BĐTD những rung động cộng hưởng, mang lại sức sống và năng lượng vô tận cho tư duy sáng tạo”.

Sử dụng BĐTD trong dạy học giúp người học biết xác định và liệt kê ý tưởng quanh chủ đề cho trước. Sau đó, tìm mối liên kết giữa các ý tưởng và phân loại chúng sao cho BĐTD trở nên có hệ thống và dễ phân tích. Trong một số trường hợp BĐTD giúp người học biết xác định vấn đề và đưa ra được cách giải quyết phù hợp. Nó cũng giúp người học ghi lại và trình bày ý tưởng một cách trực quan.

Những yếu tố làm cho BĐTD có tính hiệu quả cao: BĐTD đã thể hiện ra bên ngoài cách thức mà não bộ chúng ta HĐ. Đó là liên kết, liên kết và liên kết. Mọi thông tin tồn tại trong não bộ của con người đều cần có các mối nối, liên kết để có thể được tìm thấy và sử dụng; Việc sử dụng các từ khóa, chữ số, màu sắc và hình ảnh đã đem lại một công dụng lớn vì đã huy động cả bán cầu não phải và trái cùng HĐ. Sự kết hợp này sẽ làm tăng cường các liên kết giữa 2 bán cầu não, và kết quả là tăng cường trí tuệ và tính sáng tạo của chủ nhân bộ não.

Trong dạy học môn toán có thể sử dụng BĐTD dạy học kiến thức mới, củng cố ôn tập hệ thống hóa kiến thức, kiểm tra đánh giá kết quả học tập và phát huy năng lực sáng tạo của HS khá giỏi.

Cách lập BĐTD ([1], tr 12-14)

Bước 1: Chọn hình ảnh trung tâm hay từ

khóa. Hình ảnh trung tâm là một hình ảnh, hình vẽ cần phát triển hay từ khóa (từ trung tâm) là tên của một bài, tên một chủ đề hay một nội dumg cần khai thác.

Bước 2: Vẽ nhánh cấp một. Các nhánh cấp một là nội dung chính của chủ đề.

Bước 3: Vẽ nhánh cấp 2, cấp 3,… và hoàn thiện BĐTD. Các nhánh con cấp 2, cấp 3,… là các

nhánh con của nhánh con trước nó hay là các ý của nội dung của các nhánh con trước đó.

Một số gợi ý khi vẽ BĐTD:

- Bắt đầu từ hình ảnh trung tâm hay một cụm từ tên chủ đề giúp HS tập trung vào chủ đề và gây hứng thú cho HS.

- Sử dụng màu sắc, vì màu sắc có tác dụng kích thích não như hình ảnh.

- Vẽ các nhánh chính cấp một từ hình ảnh trung tâm, vẽ các nhánh cấp hai từ các nhánh cấp một, … bằng các đường kẻ thẳng, đường cong có màu sắc khác nhau, nhánh màu nào thì chữ viết trên nhánh có màu đó.

- Mỗi hình ảnh hay cụm từ liên quan đến nhánh nào nên đứng độc lập và nằm gần đường cong của nhánh đó.

- Tạo ra một kiểu BĐTD riêng cho mình (kiểu đường kẻ, màu sắc, chữ viết…).

- Nên dùng các đường cong nhiều hơn các đường thẳng vì đường cong thu hút được sự chú ý của mắt hơn.

- Bố trí thông tin đều quanh hình ảnh trung tâm.

- Chỉnh sửa, thêm bớt thông tin, thêm bớt nhánh… sao cho hình thức đẹp, chữ viết rõ.

ỨNG DỤNG BĐTD TRONG DẠY HỌC GIẢI TOÁN GÓP PHẦN RÈN LUYỆN CHO HS MỘT SỐ HĐTT

Trong dạy học giải toán có thể sử dụng BĐTD hỗ trợ ôn tập, củng cố hệ thống hóa kiến thức, rèn luyện kĩ năng giải toán và phát huy năng lực sáng tạo của HS khá giỏi. Chúng tôi trình bày ứng dụng BĐTD trong dạy học tìm lời giải và khai thác bài toán (BT) hình học 9, góp phần rèn luyện cho HS một số HĐTT (phân tích, tổng hợp, tương tự, khái quát hóa, phân chia trường hợp, lật ngược vấn đề, xét tính giải được…) và bồi dưỡng khả năng sáng tạo cho HS khá giỏi.

Có rất nhiều phần vẽ BĐTD, chúng tôi sử dụng phần mềm Concept Draw Mindmap Pro.v5.2.2 (tải từ mạng internet) để lập BĐTD tìm lời giải và khai thác 2 BT hình học 9.

Bạch Phương Vinh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 227 - 231

229

Nhằm giúp HS nhìn thấy bức tranh tổng thể và chi tiết của HĐ giải toán và phát triển BT. Nhờ hình ảnh của BĐTD và các ý tưởng HS biết cách liên tưởng đến những kiến thức cần huy động để giải BT, biết củng cố hệ thống hóa kiến thức, biết tìm nhiều lời giải của BT, biết sáng tạo BT mới từ BT đã cho, biết hình thành khái quát lại tri thức PP từ tri thức nội dung. Qua đó HS được rèn luyện kĩ năng giải toán và phát triển tư duy. Sau đây là hai BĐTD tìm lời giải và khai thác hai BT hình học 9:

1. Cho nửa đường tròn (ĐTr) tâm O có đường kính AB. Gọi Ax, By là các tia vuông góc với AB (Ax, By và nửa đường tròn thuộc cùng một nửa mặt phẳng bờ AB). Qua điểm M thuộc nửa đường tròn (M khác A và B), kẻ tiếp tuyến với nửa đường tròn đó, nó cắt Ax, By theo thứ tự ở C và D. Chứng minh rằng COD 90= °

2. Cho tam giác vuông ABC ( 0A 90= ) có AB < AC nội tiếp trong đường tròn (O), vẽ đường cao AH và bán kính OA. Chứng minh rằng OAH B C= − .

Bạch Phương Vinh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 227 - 231

230

Chọn từ khóa cho BT 1 là “BÀI TOÁN MỞ”, chọn từ khóa cho BT 2 là „HOẠT ĐỘNG TÌM L ỜI GIẢI VÀ KHAI THÁC BÀI TOÁN” nhằm gợi cho HS các ý tưởng về tìm lời giải và khai thác BT theo các hướng tìm thêm nhiều lời giải, sáng tạo BT mới từ BT đã cho theo dạng BT mở. Từ đó hình thành tri thức PP và rèn luyện tư duy toán học.

Tải phần mềm Concept Draw Mindmap Pro.v5.2.2 và bản hướng dẫn sử dụng phần mềm từ mạng internet: www.mind-map.com (trang web chính thức của Tony Buzan)

BĐTD là một công cụ hữu ích trong giảng dạy và học tập ở các bậc học vì nó giúp GV và HS trong việc trình bày các ý tưởng một cách rõ ràng, suy nghĩ sáng tạo, học tập thông qua lược đồ, tóm tắt thông tin của một bài học, bài báo, củng cố hệ thống lại kiến thức đã học, tăng cường khả năng ghi nhớ, đưa ra ý tưởng mới, v.v… Sử dụng thành thạo và hiệu quả BĐTD với các phần mềm mind mapping trong dạy học sẽ mang lại nhiều kết quả tốt trong việc đổi mới PPDH theo hướng ứng dụng công nghệ thông tin và truyền thông vào

dạy học nhằm nâng cao hiệu quả dạy học. Nó cũng giúp GV tiết kiệm được thời gian, tăng sự linh hoạt trong bài giảng và giúp HS nắm được kiến thức thông qua một “bản đồ” thể hiện các liên kết chặt chẽ của tri thức đáng được khích lệ.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1]. Trần Đình Châu, Đặng Thị Thu Thủy (2011), Thiết kế bản đồ tư duy dạy học môn toán, Nxb Giáo dục Việt Nam. [2]. Hoàng chúng (1997), PPDH Toán học ở trường phổ thông THCS, Nxb GD. [3]. Phan Đức Chính (Tổng chủ biên), Tôn Thân (chủ biên) (2005), Toán 9 tập 1; Bài tập Toán 9 tập 1, Nxb GD. [4]. Nguyễn Bá Kim, Vương Dương Minh, Tôn Thân (1999), Khuyến khích một số hoạt động trí tuệ của HS qua môn Toán ở Trường THCS, Nxb GD. [5]. Tony Buzan , Bản đồ Tư duy trong công việc, NXB Lao động - Xã hội. [6]. www.mind-map.com (trang web chính thức của Tony Buzan).

Bạch Phương Vinh Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 227 - 231

231

SUMMARY APPLICATION OF MIND – MAP IN TEACHING MATHEMATICS F OR GRADE 9 STUDENTS, CONTRIBUTING TO THE TRAINING OF STUDENTS IN INTELLECTUAL ACTIVITIES

Bach Phuong Vinh∗∗∗∗

College of Education - TNU

Map of thinking also known as schematic, diagram, etc... is the form of notes to find stuff, digging deep, extending the ideas, formulated a topic or a coherent knowledge ... by combining the use of images, lines, colour, written in accordance with the structure operation and function of the brain, along with positive thinking not only gives students the excitement of learning but also contributes to the implementation of innovative methods of teaching in high school. Therefore, use Map of thinking in teaching mathematics 9th grade contributed to the development of the students some intellectual activity. Key words: intellectual activity, analysis, synthesis, prove, students.

∗ Email: bachvinhtn@yahoo.com

Phạm Thị Tuyết Mai và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 233 - 238

232

Variational relation problems and related problems in topological

semilattices

Pham Thi Tuyet Mai

Department of Mathematics, Thai Nguyen Pedagogical University

e-mail: phamtuyetmai.dhsp@gmail.com

Bui The Hung

Department of Mathematics, Thai Nguyen Pedagogical University

e-mail: hungbt.math@gmail.com

Abstract

In this paper, we apply a version of Fan- Browder’s fixed point theorem to study variational re-

lation problems in topological semilattices. Some sufficient conditions on the existence of solutions

of variational relation problems in topological semilattices with multivalued mappings are shown.

As special cases, we obtain several results on the existence of solutions to quasivariational inclusion

problems.

2000 MR subject Classification 49J27, 49J53, 91B50, 90C48

Key Words and Phrases. Relation variational problems, quasivariational inclusion problems,

upper and lower C −4-quasiconvex-like multivalued mappings, upper and lower C- continuous mul-

tivalued mappings.

1 Introduction

Throughout this paper, X,Z are topological space and Y be topological vecter space with C be a

nonempty cone, D be nonempty subset of X, K be nonempty subset of Z; Si : D −→ 2D, i = 1, 2;T :

D × D −→ 2K , F : K × D × D → 2Y are the set-valued maps and let R(y, x′, x) be a relation linking

y ∈ K,x′ ∈ D and x ∈ D. We consider the following problem variational relation, donoted (V R): Find

x ∈ D such that

(i) x ∈ S1(x);

(ii)R(y, x, x) holds for every x ∈ S2(x) and y ∈ T (x, x).

This problem is call a variational relation problem in which the set-valued maps S1, S2, T are constraints

and R is a variational relation. The relation R is often determined by equalities and inequalities of real

functions or by inclusions and intersections of set-valued maps (see, for instance, [1], [2] and references

therein).

In this paper, we given an existence theorem of variational relation problem in topological semilattices.

2 Pham Thi Tuyet Mai- Bui The Hung

2 Preliminaries

Definition 2.1 A partially ordered set (X,≤) is called a sup-semilattice if any two element x, y of X

have a least upper bound, denoted by x∨ y or supx, y. (X,≤) is a topological semilattice if X is a sup-

semilattice equipped with a topology such that the mapping X ×X −→ X, (x, y) 7−→ x ∨ y is continous.

We have given the definition of a sup-semilattice, we could obviously also consider inf-semilattices. When

no confusion can arise we will simply use the word semilattice. It is also evident that each nonempty

finite set A of X will have a least upper bound, donoted by supA.

In a partially ordered set (X,≤), two arbitrary element x and x′ do not have to be comparable but,

in the case where x ≤ x′, the set [x, x′] = y ∈ X : x ≤ y ≤ x′ is called an order interval. Now assume

that (X,≤) is semilattice and A is a nonempty finite subset; then the set 4(A) = ∪a∈A[a, supA] is well

defined and it has the following properties:

(a) A ⊆ 4(A);

(b) if A ⊆ A′, then 4(A) ⊆ 4(A′).

We say that a subset E ⊆ X is4−convex if for any nonempty finite subset A ⊆ E we have4(A) ⊆ E.

For any D ⊆ X,=(D) denotes the family of all finite subset of D,4(D) =⋃A∈=(D)4(A). We have if

(Eα)α∈I be family subset 4− convex of X then ∩α∈IEα is 4− convex of X. The intersection of all the

4− convex sets containing a give subset A is called the 4− convex hull of A and is donoted by co4(A).

It is a 4− convex set smallest containing A and it has the following properties:

(a) A ⊆ co4(A);

(b) if A ⊆ A′, then co4(A) ⊆ co4(A′);

(c) A is 4− convex if and only if A = co4(A).

Definition 2.2 Let X be a topological space, Y a topological vector space with a cone C and F : D −→ 2Y

be a multivalued mapping .

(i) F is said to be upper C-continuous at x ∈ domF if for any neighborhood V of the origin in Y there

is a neighborhood U of x such that

F (x) ⊆ F (x) + V + C, holds for all x ∈ U ∩ domF.

(ii) F is said to be lower C-continuous at x ∈ domF if for any neighborhood V of the origin in Y there

is a neighborhood U of x such that

F (x) ⊆ F (x) + V − C, holds for all x ∈ U ∩ domF.

Definition 2.3 Let X be a topological semilattice or a 4-convex subset of a topological semilattice, Y

be a topological vector space, C ⊂ Y be a nonempty, close and convex cone. Let F : X −→ 2Y be a

multivalued mapping with nonempty valued. We say that

Variational relation problems and related problems in topological semilattices 3

(i) F is upper C −4-quasiconvex-like if for any pair x1, x2 ∈ X and for any x ∈ 4(x1, x2), there

exists an index i ∈ 1, 2 such that

F (x) ⊆ F (xi) + C.

(ii) F is lower C − 4-quasiconvex-like if for any pair x1, x2 ∈ X and for any x ∈ 4(x1, x2), there

exists an index i ∈ 1, 2 such that

F (xi) ⊆ F (x)− C.

Definition 2.4 Let D be nonempty subset of a topological semilattice X, K be nonempty subset of a

topological vector Z and Y be a topological vector space, C ⊂ Y be a nonempty, close and convex cone.

Let F : K ×D ×D −→ 2Y , T : D ×D −→ 2K be a multivalued mapping. We say that

(i) F is diagonally upper (T,C) − 4-quasiconvex-like in the second variable if for any finite xi ∈

D, i = 1, 2, ..., n and for any x ∈ 4(x1, x2, ..., xn), there exists j ∈ 1, 2, ..., n such that

F (y, xj , x) ⊆ F (y, x, x) + C, for all y ∈ T (x, xj).

(ii) F is diagonally lower (T,C) − 4-quasiconvex-like in the second variable if for any finite xi ∈

D, i = 1, 2, ..., n and for any x ∈ 4(x1, x2, ..., xn), there exists j ∈ 1, 2, ..., n such that

F (y, x, x) ⊆ F (y, xj , x)− C, for all y ∈ T (x, xj).

Theorem 2.5 (Browder- Fan fixed point theorem, see [3]) Let D be a nonempty compact 4-convex subset

of a topological semilattice with path-connected intervals M , F : D −→ 2D with nonempty 4-convex

valued, and F−1(x′) ⊂ D be open, for any x′ ∈ D. Then F has a fixed point.

3 The main results

Throughout this section, unless otherwise specify, by Y, Z denote real topological vector Haussdorff spaces

and X denote Hausdorff topological semilattice space. Let D ⊆ X,K ⊆ Z be nonempty subsets. Given

multivalued mappings Si, i = 1, 2, T and relation R as in the introduction, we first introduce the following

definitions:

Definition 3.1 Let D,K are nonempty sets, T : D ×D −→ 2K be a set-valued maps and let R(y, x′, x)

be a relation linking y ∈ K,x′ ∈ D and x ∈ D. We say that the relation R is (T,4)-KKM (or KKM

for short) if for every finite subset x′1, x′2, ..., x′n of D and for all x ∈ 4(x′1, x′2, ..., x′n) , one can find

some index i such that R(y, x, x′i) hold for all y ∈ T (x, x′i).

Definition 3.2 Let x′ ∈ D be fixed. We say that the relation R(., x′, .) is closed in the first and the

third variables if for every net (yα, xα) converging to some (y, x) and if R(yα, x′, xα) hold for all α, the

relation R(y, x′, x) holds too.

4 Pham Thi Tuyet Mai- Bui The Hung

Theorem 3.3 Let D be a nonempty compact 4 − convex subset of a Hausdorff topological semilattice

Xwith path-connected interval M , K be a nonempty subset of a real Hausdorff topological vector spaces.

Assume that Si : D −→ 2D, i = 1, 2;T : D ×D −→ 2K are set-valued maps and R(y, x′, x) be a relation

linking y ∈ K,x′ ∈ D and x ∈ D such that:

(i) S1 be close maps, S2(x) is nonempty with 4(S2(x)) ⊂ S1(x) and S−12 (x′) is open in D, for all

x, x′ ∈ D;

(ii) For any fixed x ∈ D, the multivalued mapping T (x, .) is lower semicontinous;

(iii) R(., x′, .) is closed in the first and the third variable;

(iv) The relation R is KKM .

Then (VR) has a solution.

Proof. We define the multivalued mapping P : D −→ 2D by

P (x) = x′ ∈ D : R(y, x′, x) does not hold, for some y ∈ T (x′, x).

We show first that P−1(x′) is open in D, for each x′ ∈ D. In fact, let xα ⊆ D \ P−1(x′) be a net

converging to x0. By definition of P ,

R(y, x′, xα) holds, for all y ∈ T (x′, xα).

For each y ∈ T (x′, x0), since T is lower semicontinous in the second variable, there exists yα ∈ T (x′, xα)

such that yα → y. Since R is closed in the first and the third variable, R(y, x′, x0) holds, i.e., x0 6∈ P−1(x′).

Hence, P−1(x′) is open in D, for each x′ ∈ D.

Now, we define Q : D −→ 2D by

Q(x) =

P (x) ∩ S2(x), if x ∈ B,

S2(x), otherwise,

where B = x ∈ D : x ∈ S1(x).

Then for any x′ ∈ D,

Q−1(x′) = [P−1(x′) ∩ S−12 (x′)] ∪ [S−12 (x′) ∩D \B].

Since D is compact and the map S1 is closed, it is clear that B is closed, hence D \B is open in D. This

imply that the set Q−1(x′) is open in D. By Proposition 2.4, we have (4Q)−1(x′) is open in D, where

the multivalued mapping 4Q : D −→ 2D defined by (4Q)(x) = 4(Q(x)).

Suppose that Q(x) is nonempty, for all x ∈ D. This implies, 4Q(x) is nonempty, for all x ∈ D. Applying

Theorem 2.9 in Section 2, we conclude that there exists a point x0 ∈ D such that x0 ∈ 4Q(x0).

If x0 6∈ S1(x0), then x0 ∈ 4Q(x0) = 4S2(x0). By hypothesis (ii), imply x0 ∈ S1(x0) which contradicts

x0 6∈ S1(x0).

If x0 ∈ S1(x0) , then x0 ∈ 4Q(x0) = 4(P (x0) ∩ S2(x0)) ⊆ 4(P (x0)). This implies, there exists finite

Variational relation problems and related problems in topological semilattices 5

subset x′1, x′2, ..., x′n ⊆ P (x0) such that

x0 ∈ 4(x′1, x′2, ..., x′n).

By definition of P , for each i ∈ 1, 2, ..., n, there exists yi ∈ T (x′i, x0) such that

R(yi, x′i, x0) does not hold. (3.1)

Since R is KKM, hence there exists an index i ∈ 1, 2, ..., n such that R(y, x′i, x0) holds, for all y ∈

T (x′i, x0). This contradicts (3.1).

Then there exists x ∈ D such that Q(x) = ∅, by S2(x) 6= ∅ for all x ∈ D, hence P (x) ∩ S2(x) = ∅ and

x ∈ S1(x). This implies x ∈ S1(x) and R(y, x, x) holds, for all x ∈ S2(x) and y ∈ T (x, x), i.e., x is a

solution of (VR). Theorem proof is complete.

Corollary 3.4 Let D be a nonempty compact 4− convex subset of a Hausdorff topological semilattice

Xwith path-connected interval M , K be a nonempty subset of a real Hausdorff topological vector spaces

and C be a nonempty closed convex cone of a real Hausdorff topological vector spaces Y . Assume that

S : D −→ 2D, T : D ×D −→ 2K and F : K ×D ×D −→ 2Y are set-valued maps such that:

(i) S1 be close maps, S2(x) is nonempty with 4(S2(x)) ⊆ S1(x) and S−12 (x′) is open in D for each

x, x′ ∈ D;

(ii) For any fixed x ∈ D, the multivalued mapping T (x, .) is lower semicontinous;

(iii) F is lower (−C)-continuos in the first variable and third variable with compact values and the

multivalued mapping G : K ×D −→ 2Y defined by G(y, x) = F (y, x, x) is upper C- continous;

(iv) F is diagonally upper (T,C)−4-quasiconvex-like in the second variable.

Then there exists x ∈ D such that x ∈ S1(x),

F (y, x, x) ⊆ F (y, x, x) + C, for all x ∈ S2(x) and y ∈ T (x, x).

Proof. We define R as follows: R(y, x, x′) holds iff F (y, x, x′) ⊆ F (y, x′, x′) +C. It is easy to verify that

R is KKM if and only if F is diagonally upper (T,C)−4-quasiconvex-like in the second variable.

We prove that R is closed in the first and the third variable. Infact, let (yα, xα) be a net converging to

(y0, x0) and R(yα, x, xα) holds, for all α, i.e.,

F (yα, x, xα) ⊆ F (yα, xα, xα) + C, for all α.

Since F is lower (−C)-continuos in the first variable and third variable and the multivalued mapping

G : K ×D −→ 2Y defined by G(y, x) = F (y, x, x) is upper C- continous, for each neighborhood V of the

origin in Y , there exists α0 such that

F (y0, x, x0) ⊆ F (yα, x, xα) + C + V,

F (yα, xα, xα) ⊆ F (y0, x0, x0) + C + V, for all α ≥ α0.

6 Pham Thi Tuyet Mai- Bui The Hung

It follows that

F (y0, x, x0) ⊆ F (y0, x0, x0) + C + 2V.

By closeness of C and the compact values of F show,

F (y0, x, x0) ⊆ F (y0, x0, x0) + C.

Hence, R(y0, x, x0) holds. Consequently, R is closed in the first and the third variable.

Applying Theorem 3.3, there exists x ∈ D such that x ∈ S1(x) and

R(y, x, x) holds, for all x ∈ S2(x) and y ∈ T (x, x).

Hence, x ∈ S1(x) and

F (y, x, x) ⊆ F (y, x, x) + C holds, for all x ∈ S2(x) and y ∈ T (x, x).

Corollary proof is complete.

Corollary 3.5 Let D be a nonempty compact 4− convex subset of a Hausdorff topological semilattice

Xwith path-connected interval M , K be a nonempty subset of a real Hausdorff topological vector spaces

and C be a nonempty closed convex cone of a real Hausdorff topological vector spaces Y . Assume that

S : D −→ 2D, T : D ×D −→ 2K and F : K ×D ×D −→ 2Y are set-valued maps such that:

(i) S1 be close maps, S2(x) is nonempty with 4(S2(x)) ⊆ S1(x) and S−12 (x′) is open in D for each

x, x′ ∈ D;

(ii) For any fixed y ∈ D, the multivalued mapping T (y, .) is lower semicontinous;

(iii) F is upper (−C)-continuos in the first variable and third variable with compact values and the

multivalued mapping G : K ×D −→ 2Y defined by G(y, x) = F (y, x, x) is lower C- continous;

(iv) F is lower C −4 -quasiconvex-like in the second variable.

Then there exists x ∈ D such that x ∈ S1(x),

F (y, x, x) ⊆ F (y, x, x)− C, for all x ∈ S2(x) and y ∈ T (x, x).

Proof. The proof proceeds exactly as the one of the Corollary 3.4 with relation R by

R(y, x, x′) holds iff F (y, x′, x′) ⊆ F (y, x, x′)− C.

References

[1] Luc, D. T., An abstract problem in variational analysis , J. Optim. Theory Appl ; 138 , 65-76, (2008).

[2] Luc, D. T, Sarabi, E. and Soubeyran, A., Existence of solutions in variational relation problems

without convexity, J. Math. Anal. Appl. 364, 544-555,(2010).

[3] N. T. Vinh, Some generalized quasi-Ky Fan inequalities in topological ordered space ( to apper)