Nghiên cứu điều khiển tốc độ của trục quay truyền động bằng động cơ thủy lực
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (11.1 MB, 214 trang )
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------
TRẦN NGỌC HẢI
C
C
R
L
T.
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA TRỤC QUAY
TRUYỀN ĐỘNG BẰNG ĐỘNG CƠ THỦY LỰC
DU
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng - Năm 2020
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------
TRẦN NGỌC HẢI
C
C
R
L
T.
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA TRỤC QUAY
TRUYỀN ĐỘNG BẰNG ĐỘNG CƠ THỦY LỰC
DU
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số ngành:
9520103
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:
Hƣớng dẫn 1: PGS.TS. Lê Cung
Hƣớng dẫn 2: GS. TS. Ngô Văn Dũng
Đà Nẵng - Năm 2020
CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học : PGS.TS. Lê Cung
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận án đƣợc báo cáo tại Trƣờng Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
ngày 18 tháng 10 năm 2020.
C
C
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận án gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng Luận án Tiến Sĩ)
TT
1
2
3
4
5
6
7
DU
R
L
T.
Họ và tên
GS. TS. Trần Văn Nam
PGS. TS. Nguyễn Huy Ninh
TS. Nguyễn Thanh Hải
PGS. TS. Đinh Minh Diệm
PGS. TS. Nguyễn Hữu Lộc
TS. Nguyễn Quận
PGS. TS. Lƣu Đức Bình
Chức da h Hội đồng
Chủ tịch hội đồng
Phản biện 1
Phản biện 2
Phản biện 3
Ủy viên
Ủy viên
Thƣ ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận án sau khi Luận án đã đƣợc
báo cáo và sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận án
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả mô phỏng và thực nghiệm nêu trong Luận án là trung thực, các thông số kết cấu
đƣợc tham khảo trên các tạp chí, sách chun khảo của trong và ngồi nƣớc.
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận án này
đã đƣợc cảm ơn và các thơng tin trích dẫn trong Luận án đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.
Nghiên cứu sinh thực hiện Luận án
C
C
(Ký và ghi rõ họ tên)
R
L
T.
DU
Trần Ngọc Hải
LỜI CÁM ƠN
Em xin bày tỏ tình cảm của mình đối với hƣớng dẫn chính PGS. TS Lê Cung đã
giúp đỡ về phƣơng pháp, nội dung và các hƣớng nghiên cứu chính trong q trình
thực hiện Luận án, hƣớng dẫn hai GS. TS Ngô Anh Dũng (Trƣờng Đại học Công
nghệ ÉTS, Canada) đã cung cấp các tài liệu nƣớc ngoài kịp thời. Đồng thời cám ơn
tập thể cán bộ khoa Cơ khí, hiện đang ở tại Khoa cũng nhƣ đang học tập ở nƣớc
ngoài đã giúp đỡ trong việc dịch thuật, góp ý về phƣơng pháp và tải tài liệu liên
quan cho quá trình thực hiện Luận án.
C
C
NCS. Trần Ngọc Hải
DU
R
L
T.
TĨM TẮT
Ngày nay, tự động hố q trình sản xuất và tự động hố q trình cơng nghệ là
u cầu bức thiết của quá trình chuyển tiếp từ cách mạng khoa học - kỹ thuật sang
cách mạng khoa học - công nghệ, đặc biệt nƣớc ta đang hội nhập cuộc “Cách mạng
Công nghiệp 4.0”. Mặt khác, Việt Nam hiện đang phấn đấu để trở thành một nƣớc
cơng nghiệp thì trình độ công nghệ của sản xuất đƣợc đánh giá bằng chỉ tiêu công
nghệ tiên tiến. Mà công nghệ tiên tiến đƣợc thể hiện qua công nghệ, trang thiết bị và
chất lƣợng sản phẩm.
Cùng với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động trong máy móc thiết bị,
dây chuyền thiết bị hiện đại ở các nƣớc cơng nghiệp thì kỹ thuật điều khiển hệ thủy
C
C
lực đang đƣợc các nhà khoa học và sản xuất trên thế giới quan tâm. Bởi vì, hệ truyền
động và điều khiển hệ thủy lực có nhiều ƣu điểm, đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều
R
L
T.
loại thiết bị, đặc biệt các loại thiết bị có cơng suất lớn, ví dụ nhƣ: máy ép nhấn chun
dụng, ép điều khiển số; robot công nghiệp; máy công cụ truyền thống, máy tự động
DU
chuyên dụng hoặc máy CNC; thiết bị quân sự, rađa; bộ điều khiển tự động cánh
hƣớng của nhà máy thủy điện..v.v. Để nâng cao chất lƣợng điều khiển của các thiết bị
nói chung thì nghiên cứu chất lƣợng động lực học của hệ là một trong những vấn đề
hết sức cần thiết. Động lực học của hệ điều khiển thủy lực là hết sức phức tạp vì nó
liên quan đến nhiều yếu tố thay đổi trong quá trình làm việc (nhƣ độ nhớt, độ đàn hồi
của dầu, nhiệt độ của dầu..v.v). Qua tham khảo nhiều bài báo và sách chuyên khảo
quốc tế cũng nhƣ trong nƣớc đƣợc cơng bố trong các năm gần đây thì đề tài “Nghiên
cứu điều khiển tốc độ của trục quay truyền động bằng động cơ thủy lực” là hết sức
cần thiết đối với sự phát triển lĩnh vực này ở Việt Nam.
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu đáp ứng q độ về tốc độ của trục quay cho
mơ hình hai khối lƣợng quay và hai khâu đàn hồi, khi ứng dụng bộ điều khiển PID
tự điều chỉnh mờ để điều khiển ở các tốc độ khác nhau.
Về lý thuyết là nghiên cứu mơ phỏng trên máy vi tính, trong đó thiết lập đƣợc
mơ tả tốn học, tìm mối quan hệ của các tín hiệu trong hệ thống bằng lý thuyết điều
khiển tự động. Ứng dụng bộ điều khiển PID tự động điều chỉnh mờ để nghiên cứu
đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay ở các tốc độ cài đặt khác nhau. Trong đó,
thiết lập giao diện Matlab/ Guide trực quan, tích hợp các thông số kết cấu cũng nhƣ
thông số điều khiển của hệ thống nhằm thuận lợi cho việc khảo sát và xử lý số liệu.
Từ đó, xác định và đánh giá đƣợc các chỉ tiêu về chất lƣợng thông qua đáp ứng quá
độ của hệ theo tiêu chuẩn ITAE. Khi nghiên cứu mô phỏng với điều khiển bộ thông
số này đã làm cho hệ bậc cao có đặc tính nhƣ của một hệ bậc nhất.
Về nghiên cứu thực nghiệm là đã thực hiện ghép nối tƣơng thích giữa thiết bị
điều khiển và thiết bị chấp hành để lắp ráp thành một thiết bị nghiên cứu thực
nghiệm. Trong đó, tính tốn và chọn nguồn truyền động, cơ cấu tạo tải, van tỷ lệ,
động cơ thủy lực, cảm biến tốc độ .v.v. cũng nhƣ nghiên cứu kết nối vi điều khiển
Arduino với máy vi tính.
Trên cơ sở kết quả của nghiên cứu lý thuyết, thiết lập đƣợc thuật toán điều khiển
C
C
PID tự điều chỉnh mờ và xác định đƣợc bộ thông số điều khiển mờ K’ P, K’I và K’D
R
L
T.
bằng thực nghiệm. Viết chƣơng trình điều khiển và giao diện của hệ thống, cũng
nhƣ xử lý, lƣu số liệu khảo sát và vẽ đáp ứng quá độ về điều khiển tốc độ của trục
DU
quay đƣợc thực hiện trên phần mềm IDE và Matlab/Guide.
Khi điều khiển thiết bị thực nghiệm, tín hiệu phản hồi đƣợc truyền liên tục, theo
thời gian thực và vẽ đồ thị đáp ứng cũng nhƣ lƣu các số liệu trên máy vi tính trong
suốt q trình thiết bị hoạt động.
Ngồi ra đề tài cịn khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ dầu đến đáp ứng quá độ về
tốc độ của trục quay trên cơ sở của bộ thông số PID tự điều chỉnh mờ trên.
Nhờ bộ điều khiển trên mà đáp ứng của mơ hình thực nghiệm cũng gần giống
khâu quán tính và tối ƣu nhƣ theo tiêu chuẩn ITAE.
Kết quả của đề tài sẽ làm phong phú thêm về các loại mơ hình điều khiển hệ
thủy lực chuyển động quay nói riêng cũng nhƣ hệ điều khiển thủy lực nói chung.
Các kết quả nghiên cứu liên quan đến đề tài đã đƣợc công bố, gồm: 04 bài báo
cáo khoa học đăng trong kỷ yếu của các hội nghị chuyên ngành trong nƣớc; 01 bài
báo đăng tạp chí trong nƣớc; 01 đề tài KHCN cấp Bộ; 03 bài báo cáo khoa học đƣợc
đăng trong kỷ yếu của các hội nghị quốc tế và tạp chí chuyên ngành quốc tế, trong
đó 2 bài Scopus và 01 bài báo đƣợc đăng trên tạp chí quốc tế (ISI-ESCI).
MỤC LỤC
Lời cam đoan
Lời cám ơn
Tóm tắt
Mục lục
Danh mục các ký hiệu và từ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, hình ảnh, đồ thị
Mở đầu .................................................................................................................................................. 1
1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................................... 1
C
C
2. Mục tiêu nghiên cứu .......................................................................................................... 2
R
L
T.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .................................................................................... 2
4. Nội dung nghiên cứu ......................................................................................................... 4
DU
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ......................................................................... 4
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN NỘI
DUNG NGHIÊN CỨU ........................................................................................................... 5
1.1. Lịch sử phát triển của hệ truyền động và điều khiển tự động thủy lực .............. 5
1.2. Các cơng trình đã đƣợc cơng bố có liên quan đến nội dung nghiên cứu ............ 7
1.2.1. Hệ truyền động và điều khiển tải trọng hệ thủy lực ....................................... 7
1.2.2. Hệ truyền động và điều khiển vận tốc hệ thủy lực ....................................... 11
1.2.3. Hệ truyền động và điều khiển vị trí hệ thủy lực ........................................... 21
1.2.4. Các cơng bố có liên quan khác ..................................................................... 23
1.3. Kết luận chƣơng 1 ...................................................................................................... 25
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
THỦY LỰC ............................................................................................................................ 28
2.1. Tổng quan về hệ thống truyền động thủy lực........................................................ 28
2.1.1. Cấu trúc cơ bản của hệ truyền động thủy lực .................................................. 28
2.1.2. Các tính chất vật lý cơ bản của chất lỏng thủy lực ....................................... 29
2.1.3. Động cơ thủy lực ........................................................................................... 33
2.1.4. Van tỷ lệ và van servo ................................................................................... 36
2.1.5. Nguyên tắc tƣơng tự điện - thủy lực ............................................................. 41
2.2. Tổng quan về hệ thống điều khiển thủy lực ........................................................... 42
2.2.1. Phân tích tổng quan về lịch sử và phân loại điều khiển các hệ thống thủy
lực ........................................................................................................................... 42
2.2.2. Đánh giá chất lƣợng hệ thống điều khiển ..................................................... 46
2.3. Kết luận chƣơng 2 ...................................................................................................... 49
CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
CỦA TRỤC QUAY TRUYỀN ĐỘNG BẰNG THỦY LỰC ......................................... 51
3.1. Xây dựng mơ hình nghiên cứu đáp ứng quá độ của trục quay truyền động
C
C
bằng thủy lực ...................................................................................................................... 52
R
L
T.
3.1.1. Phân tích tổng quan ........................................................................................ 52
3.2.2. Mơ hình nghiên cứu ....................................................................................... 54
DU
3.2. Thiết lập mơ hình tính tốn và mơ tả tốn học của hệ thống.............................. 58
3.2.1. Mơ hình tốn khi bỏ qua biến dạng đàn hồi của bộ truyền đai thang ............... 59
3.2.2. Mơ hình tốn khi có tính đến biến dạng đàn hồi của bộ truyền đai thang ........ 62
3.3. Mô phỏng đáp ứng quá độ về tốc độ của hệ .......................................................... 65
3.3.1. Phân tích các bộ điều khiển .......................................................................... 65
3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ............................................... 66
3.4. Khảo sát đáp ứng quá độ về điều khiển tự động tốc độ của trục quay ............. 69
3.4.1. Các số liệu mô phỏng ................................................................................... 69
3.4.2. Đáp ứng về tốc độ của trục quay .................................................................. 70
3.5. Kết luận chƣơng 3 ...................................................................................................... 80
CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
CỦA TRỤC QUAY TRUYỀN ĐỘNG BẰNG THỦY LỰC ......................................... 82
4.1. Xây dựng mơ hình thực nghiệm của trục quay truyền động bằng động cơ
thủy lực ................................................................................................................................ 82
4.1.1. Tính tốn cơ bản nguồn truyền động thủy lực .............................................. 82
4.1.2. Chọn hệ thống truyền động và điều khiển thủy lực ...................................... 85
4.1.3. Chế tạo và lắp đặt thiết bị thực nghiệm của trục quay ..................................... 93
4.2. Xác định thông số điều khiển và viết chƣơng trình điều khiển hệ thống .......... 95
4.3. Khảo sát thực nghiệm độ ổn định về điều khiển tốc tộ của trục quay .............. 97
4.4. So sánh các kết quả lý thuyết và thực nghiệm ..................................................... 102
4.5. Nghiên cứu ảnh hƣởng nhiệt độ của dầu đến độ ổn định tốc độ của trục
quay.................................................................................................................................... 107
4.6. Kết luận chƣơng 4 .................................................................................................... 110
KẾT LUẬN CHUNG.......................................................................................................... 112
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐÃ ĐƢỢC
CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ............................................................................................... 116
C
C
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 117
R
L
T.
PHỤ LỤC 1
PHỤ LỤC 2
DU
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu/
Từ viết tắt
Ý nghĩa
D0m
Thể tích riêng của động cơ thủy lực
Thể tích riêng của bơm dầu tạo tải
Thể tích riêng của bơm
Tỷ số truyền của bộ truyền đai truyền từ động cơ điện
đến bơm dầu
Tỷ số truyền của bộ truyền đai truyền từ động cơ thủy
lực trục quay
Tỷ số truyền của bộ truyền đai truyền từ trục quay
đến cụm bơm tạo tải
Hiệu suất truyền động từ động cơ thủy lực đến trục
quay qua bộ truyền đai
Hiệu suất truyền động từ động cơ điện đến bơm dầu
qua bộ truyền đai
Lƣu lƣợng vào/ra của động cơ thủy lực
Áp suất cửa vào của van tỷ lệ
Áp suất làm việc động cơ thủy lực
Áp suất bơm tạo tải
Tốc độ của rô to động cơ thủy lực
Tốc độ của trục quay
Tốc độ của trục bơm tạo tải
Tốc độ của cảm biến
Momen từ áp suất bơm dầu tạo ra
Mô men tạo tải trên trục quay
Mô men quán tính khối lƣợng của trục quay
Mơ men qn tính khối lƣợng của trục rơ to
Mơ men qn tính khối lƣợng thu gọn về trục rơ to
của động cơ thủy lực
Dịng trên van tỷ lệ
Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại điều khiển van tỷ
lệ
Góc quay của trục rơ to
Góc quay của trục quay
Góc xoắn tƣơng đối của bộ truyền đai thang do biến
dạng đàn hồi
Hệ số khuếch đại của tốc kế
Điện áp vào điều khiển bộ khuếch đại
Điện áp ra điều khiển van tỷ lệ
D bt
D0b
i0
i1
i2
1
2
Q
pS
P
pt
n0
n1
n2
nt
Mm
M0
J1
J0
J01
I
KV
0
1
đ
Kn
u0
u1
C
C
R
L
.
T
U
D
Đơn vị
m3
m3
m3
m3/ph
N/m2
N/m2
N/m2
vg/ph
vg/ph
vg/ph
vg/ph
Nm
Nm
2
Nms /rad
Nms2/rad
Nms2/rad
mA
(m /s)/m
A
Rad
Rad
3
Rad
V/(vg/ph)
VDC
VDC
Ký hiệu/
Ý nghĩa
Từ viết tắt
f0
Hệ số ma sát nhớt tƣơng đƣơng của động cơ
f1
Hệ số ma sát trên trục quay
Hệ số ma sát thu gọn của trục quay về trục rô to của
f01
động cơ thủy lực
C1
Độ cứng chống xoắn của bộ truyền đai thang
CH
Độ cứng thủy lực
Hệ số tắt dần
H
F1, F2
Lực kéo dây đai ở 2 phía
r0
Bán puly chủ động
r1
Bán puly bị động
k
Hệ số đàn hồi của dây đai
tr
Thời gian tăng
tqđ
Thời gian xác lập
cmax-cxl
Độ vọt lố (POT)
exl
Sai số vòng quay ở chế độ xác lập
PID
Proportional Integral Derivative
IAE
Integral of the Absolute Magnitude of the Error
ISE
Integral of the Square of the Error
Integral of Time multiplied by the Absolute Value of
ITAE
the Error
POT
Percent of Overshoot
C
C
DU
R
L
T.
Đơn vị
Nms/rad
Nms/rad
Nms/rad
mm
mm
giây (s)
giây (s)
%
%
DANH MỤC CÁC BẢNG
TT
Bảng
1.1
1.2
1.3
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
4.11
4.12
4.13
Tên gọi
Trang
Bộ thông số điều khiển theo Ziegler-Nichols
Kết quả khảo sát
Kết quả tìm bộ thơng số điều khiển PID
Hệ số áp suất phụ thuộc vào nhiệt độ
Đặc tính của van servo và van tỷ lệ
Các ứng dụng của van servo và van tỷ lệ
Phân loại về điều khiển tự động thủy lực đƣợc công bố
Mối liên hệ giữa số khâu tích phân trong G(s)H(s) và sai số xác lập
Thông số của hệ thống
Quy tắc mờ KP
Quy tắc mờ KI
Quy tắc mờ KD
Tổng hợp các giá trị khảo sát (M0 = 0)
Tổng hợp các giá trị khảo sát khi đặt tải ban đầu
Tổng hợp các giá trị khảo sát khi đặt tải sau thời gian 5(s)
Thông số kỹ thuật
Thông số kỹ thuật của van
Thông số của thiết bị
Độ phân giải của phép đo
Tổng hợp các giá trị khảo sát thực nghiệm với tải 0(Nm)
Tổng hợp các giá trị khảo sát thực nghiệm với tải 0,5(Nm)
Tổng hợp các giá trị khảo sát thực nghiệm với tải 1(Nm)
Tổng hợp các giá trị khảo sát thực nghiệm với tải 1,5(Nm)
So sánh giữa kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm (M0 = 0Nm)
So sánh giữa kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm (M0 =
0,5Nm)
So sánh giữa kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm (M0 = 1Nm)
So sánh giữa kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm (M0 =
1,5Nm)
Tổng hợp kết quả đáp ứng quá độ khi xét đến nhiệt độ dầu
12
15
17
30
36
36
45,46
48
58,59
67
67
67
71
75,76
79,80
82
88
93
98
98
99
100
101
103
C
C
DU
R
L
T.
104
105
106
109
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
TT
Hình
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6.
1.7
1.8
1.9
1.10
1.11
1.12
1.13
1.14
1.15
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
2.13
2.14
2.15
2.16
3.1
3.2
3.3
3.4
Tên gọi
Trang
Sơ đồ điều khiển theo áp suất
Sơ đồ nguyên lý thủy lực điều khiển tốc độ của xilanh thủy lực với
hai tín hiệu vào
Đáp ứng hình chữ nhật khi điều khiển tốc độ của xilanh thủy lực
Mơ hình điều khiển động cơ thủy lực
Sơ đồ nguyên lý thủy lực điều khiển động cơ thủy lực bằng van tỷ lệ
Mơ hình nghiên cứu
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển PID tự điều chỉnh mờ
Kết quả của 5 điều khiển khi áp suất đƣợc đặt tại 50bar
Kết quả của 5 điều khiển khi áp suất đƣợc đặt tại 10bar
Sơ đồ khối và sai số của hệ điều khiển vận tốc
Sơ đồ khối
Sai số của hệ điều khiển vị trí
Mơ hình độ cứng của xilanh thủy lực
Mơ hình độ cứng của động cơ thủy lực
Mơ hình thủy lực ứng dụng ắc quy thủy khí
Cấu trúc cơ bản của hệ thống thủy lực
Dòng chảy và ứng suất cắt
Mơ tả về dịng chảy
Mơ tả về dịng chảy qua van
Mơ hình động cơ thủy lực với tải quán tính
Sơ đồ hệ thống
Đặc tính hiệu suất của động cơ
Sơ đồ con trƣợt van 4/3
Kết cấu van tỷ lệ
Sơ đồ khối điều khiển van
Quan hệ giữa các biến trong (a) điện và (b) hệ thống thủy lực
Cấu trúc điều khiển chung của hệ điều khiển tự động thủy lực
Sơ đồ khối và đặc tính sai số
Độ vọt lố
Thời gian quá độ và thời gian tăng
Đáp ứng tối ƣu của hệ thống
Sơ đồ khối thể hiện đặc tính của hệ điều khiển
Mơ hình ứng dụng của hệ điều khiển tự động thủy lực điển hình
Sơ đồ nguyên lý hệ thủy lực truyền động cho trục quay
Mơ hình trục quay
C
C
DU
R
L
T.
9
12
13
14
16
18
19
19
20
20
21
22
23
24
25
28
30
31
32
33
35
35
37
38
39
41
44
46
47
47
49
51
53
55
55
TT
Hình
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12
3.13
3.14
3.15
3.16
3.17
3.18
3.19
3.20
3.21
3.22
3.23
3.24
3.25
3.26
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
4.11
4.12
Tên gọi
Trang
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Mơ hình động lực học của hệ truyền động
Sơ đồ khối
Mơ hình động lực học của động cơ thủy lực
Mơ hình tính tốn khi không xét đến biến dạng đàn hồi của bộ truyền
đai thang
Sơ đồ khối mô tả hệ thống
Sơ đồ khối trong matlab/Simulink
Mơ hình tốn khi tính đến biến dạng đàn hồi của bộ truyền đai thang
Sơ đồ khối mô tả hệ thống
Sơ đồ khối mô phỏng trong Matlab/Simulink
Sơ đồ khối bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ
Bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ
Các hàm thành viên của biến đầu ra bộ điều khiển PID tự điều chỉnh
mờ
Mô phỏng bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ bằng Matlab/Simulink
Giao diện mô phỏng đáp ứng tốc độ trục quay trên Matlab/Guide
Đồ thị đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay với 5 tốc độ cài đặt
Đồ thị đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay với M0 = 0,5 (Nm)
Đồ thị đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay với M0 = 1 (Nm)
Đồ thị đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay với M0 = 1,5 (Nm)
Đồ thị đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay với tải M0 = 0,5 (Nm) cài
đặt sau 5 (giây)
Đồ thị đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay với tải M0 = 1 (Nm) cài
đặt sau 5 (giây)
Đồ thị đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay với tải M0 = 1,5 (Nm) cài
đặt sau 5 (giây)
Sơ đồ nguyên lý thủy lực
Hình dạng và ký hiệu van tỷ lệ 4/3
Kết cấu van tỷ lệ 4/3
Mối quan hệ giữa lƣu lƣợng và tín hiệu điều khiển
Tuyến tính hóa quan hệ Q-I
Sơ đồ khối kết nối thiết bị điều khiển van
Bo mạch và phần mềm điều khiển
Sơ đồ mạch DAC4921
Sơ đồ mạch nguồn
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Sơ đồ mạch lắp ráp hệ thống điều khiển
Ảnh chụp mơ hình thực nghiệm
C
C
DU
R
L
T.
56
56
57
57
60
62
62
63
64
65
67
68
68
68
69
71
72
73
75
77
78
79
84
86
86
87
88
89
90
91
91
92
92
94
TT
Hình
4.13
4.14
4.15
4.16
4.17
4.18
4.19
4.20
4.21
4.22
4.23
4.24
4.25
4.26
Tên gọi
Trang
Sơ đồ lắp đặt hệ thống
Giao diện Matlab/Guide
Thực nghiệm trục quay với tải 0(Nm)
Thực nghiệm trục quay với tải 0,5(Nm)
Thực nghiệm trục quay với tải 1(Nm)
Thực nghiệm trục quay với tải 1,5(Nm)
So sánh lý thuyết và thực nghiệm (M0 = 0Nm)
So sánh lý thuyết và thực nghiệm (M0 = 0,5Nm)
So sánh lý thuyết và thực nghiệm (M0 = 1Nm)
So sánh lý thuyết và thực nghiệm (M0 = 1,5Nm)
Đáp ứng tốc độ của trục quay ở nhiệt độ 450C
Đáp ứng tốc độ của trục quay ở nhiệt độ 550C
Đáp ứng tốc độ của trục quay ở nhiệt độ 650C
Đáp ứng tốc độ của trục quay ở nhiệt độ 750C
C
C
DU
R
L
T.
95
97
98
99
100
101
102
103
104
105
107
108
108
109
MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Cơng nghiệp Cơ khí là một ngành kinh tế có vị trí đặc biệt quan trọng đối với
sự phát triển của nền kinh tế, bởi vì đây là một ngành cơng nghiệp sản xuất ra máy
móc, thiết bị cung cấp cho tồn bộ các ngành kinh tế khác. Thực tế cho thấy, trên
thế giới khơng có bất kỳ quốc gia nào thực hiện thành cơng sự nghiệp cơng nghiệp
hóa, hiện đại hóa mà lại khơng có nền cơng nghiệp Cơ khí mạnh. Sự phát triển của
ngành cơng nghiệp Cơ khí vừa là nền tảng vừa là động lực cho sự phát triển của tất
cả các ngành nghề khác nhau trong xã hội, nó cịn có tác động tích cực đến ngành
dịch vụ thơng qua sự phát triển của mạng lƣới phân phối, thu hút số lƣợng lao động
C
C
R
L
.
xã hội, tham gia vào quá trình phân công lao động và hợp tác quốc tế.
Nhận thức đƣợc tầm quan trọng lĩnh vực tự động hóa nền cơng nghiệp nói
chung và cơng nghiệp cơ khí nói riêng thì việc đầu tƣ nghiên cứu lĩnh vực thiệt bị tự
T
U
động là rất quan trọng. Nhiều đề tài cấp nhà nƣớc đã đƣợc thực hiện ở các trƣờng
D
đại học, viện nghiên cứu và cơ sở sản xuất. Trong đó có nhiều đề tài đã đƣợc ứng
dụng vào thực tế sản xuất, mang lại lợi nhuận cao và giảm nhập ngoại ví dụ nhƣ:
cơng nghệ chế tạo khn mẫu; chế tạo máy CNC; chế tạo robot hàn tự động; chế tạo
các máy nhấn, ép thủy lực tải trọng lớn..v.v.
Trong những năm đầu của thế kỷ 21, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật
máy tính, cơng nghệ thơng tin, cơng nghệ điện tử và cơ khí chính xác mà kỹ thuật
điều khiển tự động q trình cơng nghệ trong lĩnh vực cơng nghiệp thế giới đã có
những phát triển vƣợt bậc. Trong đó, lĩnh vực điều khiển tự động hệ thủy lực ngày
càng đƣợc nghiên cứu phát triển và đƣợc ứng dụng với chất lƣợng điều khiển ngày
càng cao. Hiện nay, các thiết bị thủy lực công suất lớn nhƣ: hệ thống điều khiển
cánh hƣớng ở các nhà máy thủy điện; máy ép điều khiển chƣơng trình số; robot
cơng nghiệp hàn hay gắp các vật nặng trong môi trƣờng khắc nghiệt; các máy cắt
gọt chuyên dùng hoặc máy CNC (máy mài, máy bào, máy phay, máy tiện,..); các
thiết bị quân sự ..v.v đã đƣợc ứng dụng tại Việt Nam.
Các đề tài nghiên cứu về truyền động và điều khiển hệ thủy lực đang đƣợc các
1
nhà khoa học quan tâm và thƣờng xuyên có các bài báo cơng bố trên các tạp chí
chun ngành của thế giới. Trong đó, tập trung nghiên cứu về chất lƣợng của các
phần tử thủy lực và chất lƣợng của một hệ điều khiển tự động thủy lực. Để có một
thiết bị chất lƣợng cao thì động lực học là một trong những vấn đề quan trọng,
nhƣng nghiên cứu vấn đề này là rất phức tạp. Nghiên cứu động lực học của một hệ
điều khiển thủy lực chuyển động quay cho một trục công tác (nhƣ trục quay của
Rada, trục quay của Robot, trục quay bàn dao của một máy CNC..v.v.) với những
giả thiết để có kết quả sát với thực tế cũng là vấn đề rất khó khăn. Nên việc nghiên
cứu đáp ứng quá độ về điều khiển tốc độ của trục quay truyền động bằng động cơ
thủy lực là hết sức cần thiết. Ở Việt Nam, kỹ thuật điều khiển thủy lực với sự kết
hợp giữa thủy lực - điện tử - tin học - thuật toán điều khiển thơng minh là đề tài mới
C
C
R
L
.
và cịn ít các cơng trình nghiên cứu đƣợc cơng bố.
Từ các cơ sở phân tích trên, đề tài luận án “Nghiên cứu điều khiển tốc độ của
T
U
trục quay truyền động bằng động cơ thủy lực” là có tính khoa học về mặt lý thuyết
và thực nghiệm, góp phần làm phong phú thêm về lĩnh vực kỹ thuật điều khiển hệ
thủy lực ở Việt Nam.
D
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Về mặt lý thuyết: Xây dựng mơ hình nghiên cứu về điều khiển tốc độ của trục
quay truyền động bằng động cơ thủy lực; Lập mô hình vật lý; Mơ hình tốn và sơ
đồ khối mơ tả mối quan hệ giữa các tín hiệu vào/ra trong hệ thống. Từ đó nghiên
cứu mơ phỏng đáp ứng q độ về điều khiển tốc độ của trục quay trên máy vi tính.
Về mặt thực nghiệm: Thiết kế và lắp ráp mơ hình nghiên cứu thực nghiệm, viết
chƣơng trình điều khiển tốc độ của trục quay, sử dụng bộ điều khiển PID tự điều
chỉnh mờ để khảo sát đáp ứng q độ, từ đó xác định bộ thơng số điều khiển của hệ
điều khiển thủy lực chuyển động quay.
Đề tài này nhằm góp phần phát triển và làm phong phú thêm các nghiên cứu về
lĩnh vực điều khiển hệ thủy lực ở Việt Nam.
3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu đáp ứng quá độ về tốc độ của một trục
quay truyền động bằng động cơ thủy lực.
2
Mơ hình thực nghiệm đƣợc lắp ráp tại phịng thí nghiệm truyền động và điều
khiển thủy khí, khoa Cơ khí, trƣờng Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng.
Các thiết bị điện thủy lực, bộ điều khiển đƣợc sử dụng là:
- Động cơ thủy lực: Delta Power Hydraulic Co, Rockford Illinois.
- Van tỷ lệ: Festo Didactic (4/3).
- Bộ khuếch đại tỷ lệ: Festo Didactic.
- Ắc quy thủy lực: Schrader Bellows (nhằm ổn định thế năng của dầu vào van tỷ
lệ nâng cao độ chính xác điều khiển).
- Lọc cao áp: Parker Hannifin, Metamora, OH 43540 (đảm bảo độ tin cậy dầu
thủy lực vào van tỷ lệ).
- Tốc kế: PITTMAN USA, No F8412G591 (đo tốc độ của trục quay).
C
C
R
L
.
- Bộ nguồn thủy lực: Động cơ điện 3 pha, bơm dầu, van tràn và van an toàn,
đồng hồ đo áp suất,…
T
U
- Cụm tạo tải: bơm dầu, van tràn và van an toàn, van đóng mở 2/2, van tiết lƣu.
- Bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển Arduino Mega 2560.
D
Các phần tử trên hiện đƣợc sử dụng nhiều trong các thiết bị điều khiển của công
nghiệp trên thế giới, nên việc lựa chọn chúng để lắp ráp mơ hình nghiên cứu thực
nghiệm là phù hợp với phát triển chung của công nghiệp thế giới hiện nay.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài:
Nghiên cứu mơ phỏng về lý thuyết trên máy vi tính và nghiên cứu thực nghiệm
trên thiết bị đƣợc thiết kế, lắp đặt về điều khiển hệ thủy lực chuyển động quay, tải
trọng tác động lên trục quay là không đổi trong q trình vận hành thực nghiệm.
Xác định bộ thơng số điều khiển nhằm đạt đƣợc các chỉ tiêu về đáp ứng quá độ (độ
vọt lố, thời gian đáp ứng, sai số xác lập).
Chƣơng trình điều khiển đƣợc viết trên phần mềm IDE, giao diện các thông số
điều khiển, tham số cài đặt và tín hiệu phản hồi đƣợc thực hiện trên phần mềm
Matlab/Guide. Số liệu khảo sát đƣợc tự động lƣu file.mat trên Matlab, từ đây có thể
vẽ đồ thị tín hiệu điều khiển và tín hiệu phản hồi của hệ thống.
3
4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Để đạt đƣợc các mục tiêu nghiên cứu nhƣ trình bày ở trên thì đề tài thực hiện
các nội dung sau:
Nghiên cứu lý thuyết về truyền động và điều khiển hệ thủy lực. Phân tích và xây
dựng mơ hình vật lý về điều khiển tốc độ của trục quay, thiết lập các phƣơng trình
vi phân mơ tả hoạt động của hệ thống, thiết lập mối quan hệ giữa tín hiệu vào và tín
hiệu ra. Phân tích và chọn thuật toán điều khiển PID tự điều chỉnh mờ để điều khiển
hệ thống. Nghiên cứu đáp ứng quá độ của hệ thống nhằm xác định bộ tham số điều
khiển lý thuyết phù hợp.
Thiết kế và lắp đặt thiết bị thí nghiệm điều khiển tốc độ của trục quay. Trên đó,
truyền động từ động cơ thủy lực đến trục quay thông qua bộ truyền đai và tải trọng
C
C
R
L
.
tác động lên trục quay là khơng đổi. Chƣơng trình điều khiển hệ thống có các kết
quả về đáp ứng của hệ đƣợc vẽ và lƣu trữ theo thời gian thực trên máy vi tính.
T
U
Nghiên cứu thực nghiệm về đáp ứng quá độ của hệ thống, trong đó quan tâm
đến ảnh hƣởng của tham số điều khiển cũng nhƣ ảnh hƣởng của nhiệt độ của dầu
D
đến đặc tính của q trình q độ (độ vọt lố, thời gian đáp ứng và sai số xác lập).
Trên cơ sở đó, xác định bộ tham số thực nghiệm phù hợp, đạt kết quả tối ƣu nhƣ
theo tiêu chuẩn ITAE.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Với mục tiêu và nội dung nghiên cứu nhƣ đã đƣợc trình bày ở trên, đề tài có
những ý nghĩa khoa học và thực tiễn nhƣ sau:
Trong thực tế, cơ cấu chấp hành có thể có nhiều khâu đàn hồi và nhiều khối
lƣợng chuyển động nên mô hình nghiên cứu động lực học về điều khiển tốc độ động
cơ thủy lực qua khâu mềm (bộ truyền đai thang) với hai giá trị mơ men qn tính
khối lƣợng và hai khâu đàn hồi là có ý nghĩa thực tiễn.
Góp phần mở rộng phạm vi điều khiển với bộ tham số điều khiển PID tự điều
chỉnh mờ ở nhiều tốc độ cài đặt khác nhau.
Nghiên cứu này có thể phát triển để ứng dụng cho các thiết bị mà không thể
truyền động trực tiếp từ động cơ thủy lực đến cơ cấu chấp hành hoặc qua truyền
động bằng các bộ truyền ăn khớp.
4
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN
QUAN ĐẾN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
1.1. Lịch sử phát triển của hệ truyền động và điều khiển tự động thủy lực
Công nghệ năng lƣợng chất lỏng [47] đƣợc phát minh bởi Alexander
Ktesbios 250 năm trƣớc Công Nguyên về đồng hồ nƣớc. Tuy nhiên, đến năm 1663
Principles thì hệ thủy lực đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm và máy ép thủy lực
đầu tiên ứng dụng trong cơng nghiệp (lúc đó sử dụng nƣớc để làm lƣu chất truyền
động) đƣợc thực hiện bởi Josef Bramah (1749 - 1814). Các động cơ chạy bằng động
cơ hơi nƣớc cũng đƣợc phát minh và sử dụng rộng rãi trong khoảng thời gian này
(James Watt, 1736-1819).
C
C
R
L
.
Vào nửa cuối của thế kỷ 19, W.G. Armstrong (1810-1900) đã phát triển nhiều
máy thủy lực và thiết bị thủy lực nhƣng chủ yếu sử dụng trong đóng tàu và một số
thiết bị điều khiển, vẫn giống với thiết bị điều khiển đƣợc sử dụng ngày nay.
T
U
Hệ truyền động thủy lực sau đó đã phát triển chủ yếu từ đầu thế kỷ 20, các hệ
D
thủy lực thế hệ đầu tiên bao gồm một số thiết bị điều khiển dòng chảy (áp suất và
lƣu lƣợng), điều khiển cơ cấu chấp hành thủy lực theo phƣơng pháp đóng, mở và
đảo chiều. Các ứng dụng phổ biến thời đó chỉ giới hạn trong các máy ép thuỷ lực và
tời thủy lực.
Ƣu điểm chính đó là cho công suất lớn, tải trọng cao (lực hoặc mô men) và kết
cấu nhỏ gọn. Ngồi ra, thơng thƣờng là hệ truyền động trực tiếp không qua hộp tốc
độ nên hạn chế sai số tỷ số truyền, mài mòn,…
Trong thời kỳ ban đầu các hệ truyền động thủy lực đƣợc sử dụng chủ yếu đóng
mở điều khiển vịng hở. Blackburn và công sự [45] đã phát triển ứng dụng trong
điều khiển vơ cấp hệ thủy lực vịng kín với độ chính xác cao. Kể từ đó đến nay đã
có hàng loạt các ứng dụng trong ngành công nghiệp. Hệ thống điều khiển vô cấp
thủy lực đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, theo Reinhard Brandstetter và
cộng sự [55] phân tích vai trị quan trọng của hệ điều khiển tự động thủy lực trong
“cuộc cách mạng công nghiệp 4.0”:
- Một số máy địi hỏi có lực hoặc mơ men xoắn lớn (máy ép công nghiệp, nâng
5
di động, máy xúc, máy đào, thiết bị xử lý vật liệu, vv);
- Yêu cầu đáp ứng nhanh, độ chính xác về vận tốc và tải trọng (một số máy
công cụ, máy bay, máy cán tạo hình, vv);
- Yêu cầu điều khiển chính xác vị trí (các vị trí trong thiết bị bay, chuyển động
tịnh tiến trong máy công cụ, robot cơng nghiệp, vv);
- Khi cần, phải có điều khiển bằng tay đối với các chuyển động liên quan đến trợ
lực thủy lực (máy móc hạng nặng, điều khiển máy bay, hệ thống trợ lực tay lái ô tô,
vv).
Theo Merritt [45]; Bauer [17]; Will và công sự [67] đã chứng minh hệ thống
truyền động và điều khiển tự động thủy lực có nhiều ƣu điểm nổi bật hơn so với các
hệ truyền động và điều khiển tự động khác (truyền động cơ khí, truyền động động
C
C
R
L
.
cơ điện), cụ thể:
- Hệ thống thủy lực có thể tạo ra lực/mơ men lớn hơn và có độ cứng cao hơn.
T
U
Lƣu chất truyền năng lƣợng là dầu, ngoài chức năng tạo thế năng (áp suất, lƣu
lƣợng) nó cịn có chức năng nhƣ một chất bôi trơn, bảo quản thiết bị và phục hồi
năng lƣợng;
D
- Hệ truyền động thủy lực có tốc độ đáp ứng cao hơn khi khởi động, dừng và
đảo chiều tốc độ;
- Hệ thống thủy lực có thể đƣợc vận hành ở các điều kiện làm việc khác nhau
(liên tục, gián đoạn, đảo chiều, …);
- Cả hai cơ cấu truyền động tạo chuyển động thẳng và chuyển động quay đều
tiêu chuẩn hóa, tích hợp dễ dàng vào thế giới điện tử và kỹ thuật số nên linh hoạt
trong việc tính tốn thiết kế các hệ truyền động cho cơ cấu chấp hành;
- Bảo vệ quá tải rất dễ dàng;
- Các phần tử thủy lực trong hệ thống có kết cấu nhỏ gọn với tuổi thọ của các
thiết bị cao;
- Các phần tử dẫn và bị dẫn không phụ thuộc nhau nên việc bố trí tổng thể hệ
thống dễ dàng và kết cấu chung gọn nhẹ;
- Cấu hình điều khiển hệ thống thơng qua phần mềm.
Tuy nhiên, bên cạnh những ƣu điểm của truyền động và điều khiển hệ thủy lực
6
đề cập trên thì vẫn tồn tại một số nhƣợc điểm sau (Merritt; Bauer; Will và công sự)
[17], [45], [67]:
- Giá thành cao, do độ chính xác chế tạo địi hỏi cao (hiện nay chi phí đã có
giảm [60]);
- Các mối nguy hiểm về cháy và nổ có thể xảy ra nếu hệ thống thủy lực đƣợc sử
dụng gần nguồn gây cháy (hiện nay vấn đề này đƣợc khắc phục gần nhƣ hồn tồn
vì trong lƣu chất truyền động đã loại bỏ chất gây cháy);
- Chất lỏng bẩn nếu có rị rỉ ra ngồi và gây ơ nhiễm. Mặt khác, chất cặn bẩn có
thể dẫn đến tắc nghẽn van và bộ truyền động;
- Các đặc tính động lực học của hệ thống thủy lực là phi tuyến tính và tƣơng đối
khó điều khiển, đặc biệt ở vận tốc cao;
C
C
R
L
.
- Tiếng ồn: Tiếng ồn là đặc biệt quan tâm hiện nay, vì cơng suất cao đồng nghĩa
với áp suất vận hành cao và tiếng ồn tăng lên. Các nhà sản xuất thiết bị đã có u cầu
T
U
thơng số kỹ thuật và tiêu chuẩn để giảm tiếng ồn (nhằm tránh tình trạng ảnh hƣởng
đến sức khoẻ của ngƣời vận hành) và đang đƣợc áp dụng ở nhiều nƣớc hiện nay.
D
1.2. Các công trình đã đƣợc cơng bố có liên quan đến nội dung nghiên cứu
Trong các tài liệu đƣợc công bố trên các tạp chí và sách chuyên khảo, hệ
truyền động và điều khiển thủy lực đƣợc ứng dụng để điều khiển tải trọng, vận tốc
và vị trí của cơ cấu chấp hành, cụ thể:
Xilanh thủy lực: điều khiển lực, vận tốc dài và vị trí di chuyển của cần piston;
Động cơ thủy lực: điều khiển mơ men xoắn, vận tốc góc và góc quay của trục rơto.
1.2.1. Hệ truyền động và điều khiển tải trọng hệ thủy lực
Garett A. Sohl và cộng sự [29] đã báo cáo kết quả các mô phỏng và thực
nghiệm về điều khiển tải trọng và vị trí của hệ thủy lực chuyển động tịnh tiến, trong
đó, ứng dụng bộ điều khiển theo P, PD để điều khiển. Mơ tả tốn học bằng các
phƣơng trình vi phân và thực hiện luật điều khiển phi tuyến, bộ điều khiển để ổn
định lực theo quy luật hàm mũ và điều khiển vị trí là chính xác (trong đó có tính đến
ma sát và sai số khác trong các thơng số vật lý). Kết luận của bài báo về điều khiển
lực và vị trí của piston đạt yêu cầu theo đúng mong muốn đặt ra với sai số ≤ 10%.
7
Theo tài liệu [44], [54], [63], [70], đã công bố về ứng dụng bộ điều khiển PID
mờ để điều khiển hệ thủy lực. Trong đó, Đinh Quang Trƣờng và cộng sự công bố
kết quả mô phỏng và thực nghiệm điều khiển tải của hệ chuyển động tịnh tiến khi
ứng dụng bộ điều khiển PID mờ. Các kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển
PID mờ cho đáp ứng tốt. Ngồi ra, có so sánh với bộ điều khiển PID cổ điển để
chứng minh rằng ứng dụng điều khiển PID mờ cho đáp ứng tốt hơn. Với phƣơng
pháp điều khiển này có hiệu quả khơng chỉ cho các thiết bị truyền động thủy lực,
mà còn cho các hệ thống điều khiển khác.
Shibly Ahmed AL-Samarraie và công sự [57], Shuo Kang và cộng sự [58] đã
công bố về mô phỏng phƣơng pháp điều khiển theo chế độ trƣợt cho hệ thống thủy
lực với tải thay đổi tuyến tính. Kết quả mơ phỏng cho thời gian đáp ứng nhanh ở
C
C
R
L
.
giá trị tải cài đặt ổn định.
Hongchul Kim và cộng sự [33] đã công bố kết quả về điều khiển vận động của bộ
T
U
xƣơng ngoài (nhân tạo) chi dƣới truyền động bằng thủy lực, ứng dụng trong phục hồi
chức năng chi dƣới. Phạm vi chuyển động của bộ xƣơng ngồi và cơng suất của hệ
D
thủy lực đƣợc xác định bằng cách phân tích dữ liệu đi bộ của con ngƣời, trong đó có
sử dụng thiết bị chụp và đo lực ép. Để xác minh tính hiệu quả của các thuật tốn điều
khiển vận động, các thí nghiệm đi bộ đƣợc thực hiện trên máy chạy bộ, ở tốc độ 4
km/h, trong khi mang tải trọng 45 kg (ba lô nguồn truyền động và điều khiển).
Gang Shen và công sự [28] đã công bố điều khiển tải trọng khi ứng dụng bộ
điều khiển thích nghi. Kết quả điều khiển tải cho đáp ứng tốt hơn khi điều khiển
bằng bộ PI cổ điển.
Tài liệu [10], [24] đã công bố tổng quan về hệ thủy lực điều khiển tải trọng (lực
nếu là chuyển động thẳng hoặc mô men xoắn nếu là chuyển động quay):
Đối với hệ thủy lực điều khiển tải trọng, ngoài việc dùng các loại cảm biến để
đo trực tiếp thì có thể đo gián tiếp thông qua áp suất làm việc. Để điều khiển tải
trọng theo áp suất thì thực hiện thơng qua sơ đồ ngun lý hình 1.1.
Hình 1.1a với xilanh có kết cấu không đối xứng (dùng 2 cảm biến áp suất);
Hình 1.1b với xilanh có kết cấu đối xứng (dùng 1 cảm biến áp suất);
Hình 1.1c với động cơ kết cấu đối xứng (dùng 1 cảm biến áp suất).
8
a)
T
U
D
b)
C
C
R
L
.
c)
Hình 1. 1. Sơ đồ điều khiển theo áp suất [10]
Mạch điều khiển theo tải trọng có hệ số khuếch đại đƣợc xác định:
KVP = GAGSVGXHP (s-1)
(1.1)
Sai số điều khiển ở chế độ xác lập bị ảnh hƣởng bởi:
- Sự rò dầu từ van đến cơ cấu chấp (xilanh hoặc động cơ thủy lực);
- Hiện tƣợng từ trễ, sự chuyển đổi vị trí của con trƣợt và sự trƣợt đặc tính khi
đảo chiều con trƣợt;
- Sự chuyển động của cơ cấu chấp hành (tịnh tiến của xilanh hoặc quay của
động cơ thủy lực).
Các sai số áp suất do các nguyên nhân trên gây ra đƣợc xác định nhƣ sau:
+ Sai số áp suất do van bị rò dầu (pD):
Q CH p AB
pD 2.105 RP
, (bar)
2
p
A
K
s
VP
9
(1.2)
