Luận án nghiên cứu điều khiển tốc độ của trục quay truyền động bằng động cơ thủy lực

TĨM TẮT Ngày nay, tự động hố q trình sản xuất tự động hố q trình cơng nghệ yêu cầu thiết trình chuyển tiếp từ cách mạng khoa học - kỹ thuật sang cách mạng khoa học - công nghệ, đặc biệt nước ta hội nhập “Cách mạng Công nghiệp 4.0” Mặt khác, Việt Nam phấn đấu để trở thành nước cơng nghiệp trình độ cơng nghệ sản xuất đánh giá tiêu công nghệ tiên tiến Mà công nghệ tiên tiến thể qua công nghệ, trang thiết bị chất lượng sản phẩm Cùng với phát triển kỹ thuật điều khiển tự động máy móc thiết bị, dây chuyền thiết bị đại nước cơng nghiệp kỹ thuật điều khiển hệ thủy lực nhà khoa học sản xuất giới quan tâm Bởi vì, hệ truyền động điều khiển hệ thủy lực có nhiều ưu điểm, ứng dụng rộng rãi nhiều loại thiết bị, đặc biệt loại thiết bị có cơng suất lớn, ví dụ như: máy ép nhấn chuyên dụng, ép điều khiển số; robot công nghiệp; máy công cụ truyền thống, máy tự động chuyên dụng máy CNC; thiết bị quân sự, rađa; điều khiển tự động cánh hướng nhà máy thủy điện v.v Để nâng cao chất lượng điều khiển thiết bị nói chung nghiên cứu chất lượng động lực học hệ vấn đề cần thiết Động lực học hệ điều khiển thủy lực phức tạp liên quan đến nhiều yếu tố thay đổi trình làm việc (như độ nhớt, độ đàn hồi dầu, nhiệt độ dầu v.v) Qua tham khảo nhiều báo sách chuyên khảo quốc tế nước công bố năm gần đề tài “Nghiên cứu điều khiển tốc độ trục quay truyền động động thủy lực” cần thiết phát triển lĩnh vực Việt Nam Mục tiêu đề tài nghiên cứu đáp ứng độ tốc độ trục quay cho mơ hình hai khối lượng quay hai khâu đàn hồi, ứng dụng điều khiển PID tự điều chỉnh mờ để điều khiển tốc độ khác Về lý thuyết nghiên cứu mơ máy vi tính, thiết lập mơ tả tốn học, tìm mối quan hệ tín hiệu hệ thống lý thuyết điều khiển tự động Ứng dụng điều khiển PID tự động điều chỉnh mờ để nghiên cứu đáp ứng độ tốc độ trục quay tốc độ cài đặt khác Trong đó, thiết lập giao diện Matlab/ Guide trực quan, tích hợp thơng số kết cấu thông số điều khiển hệ thống nhằm thuận lợi cho việc khảo sát xử lý số liệu Từ đó, xác định đánh giá tiêu chất lượng thông qua đáp ứng độ hệ theo tiêu chuẩn ITAE Khi nghiên cứu mô với điều khiển thông số làm cho hệ bậc cao có đặc tính hệ bậc Về nghiên cứu thực nghiệm thực ghép nối tương thích thiết bị điều khiển thiết bị chấp hành để lắp ráp thành thiết bị nghiên cứu thực nghiệm Trong đó, tính tốn chọn nguồn truyền động, cấu tạo tải, van tỷ lệ, động thủy lực, cảm biến tốc độ v.v nghiên cứu kết nối vi điều khiển Arduino với máy vi tính Trên sở kết nghiên cứu lý thuyết, thiết lập thuật toán điều khiển PID tự điều chỉnh mờ xác định thông số điều khiển mờ K’P, K’I K’D thực nghiệm Viết chương trình điều khiển giao diện hệ thống, xử lý, lưu số liệu khảo sát vẽ đáp ứng độ điều khiển tốc độ trục quay thực phần mềm IDE Matlab/Guide Khi điều khiển thiết bị thực nghiệm, tín hiệu phản hồi truyền liên tục, theo thời gian thực vẽ đồ thị đáp ứng lưu số liệu máy vi tính suốt trình thiết bị hoạt động Ngồi đề tài cịn khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ dầu đến đáp ứng độ tốc độ trục quay sở thông số PID tự điều chỉnh mờ Nhờ điều khiển mà đáp ứng mơ hình thực nghiệm gần giống khâu qn tính tối ưu theo tiêu chuẩn ITAE Kết đề tài làm phong phú thêm loại mơ hình điều khiển hệ thủy lực chuyển động quay nói riêng hệ điều khiển thủy lực nói chung Các kết nghiên cứu liên quan đến đề tài công bố, gồm: 04 báo cáo khoa học đăng kỷ yếu hội nghị chuyên ngành nước; 01 báo đăng tạp chí nước; 01 đề tài KHCN cấp Bộ; 03 báo cáo khoa học đăng kỷ yếu hội nghị quốc tế tạp chí chuyên ngành quốc tế, Scopus 01 báo đăng tạp chí quốc tế (ISI-ESCI) MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cám ơn Tóm tắt Mục lục Danh mục ký hiệu từ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, hình ảnh, đồ thị Mở đầu 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Ý nghĩa khoa thực tiễn đề tài CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.1 Lịch sử phát triển hệ truyền động điều khiển tự động thủy lực 1.2 Các cơng trình cơng bố có liên quan đến nội dung nghiên cứu 1.2.1 Hệ truyền động điều khiển tải trọng hệ thủy lực 1.2.2 Hệ truyền động điều khiển vận tốc hệ thủy lực 12 1.2.3 Hệ truyền động điều khiển vị trí hệ thủy lực 22 1.2.4 Các cơng bố có liên quan khác 24 1.3 Kết luận chương 26 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC 29 2.1 Tổng quan hệ thống truyền động thủy lực 29 2.1.1 Cấu trúc hệ truyền động thủy lực 29 2.1.2 Các tính chất vật lý chất lỏng thủy lực 30 2.1.3 Động thủy lực 34 2.1.4 Van tỷ lệ van servo 37 2.1.5 Nguyên tắc tương tự điện - thủy lực 42 2.2 Tổng quan hệ thống điều khiển thủy lực 44 2.2.1 Phân tích tổng quan lịch sử phân loại điều khiển hệ thống thủy lực 44 2.2.3 Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển 48 2.3 Kết luận chương 51 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA TRỤC QUAY TRUYỀN ĐỘNG BẰNG THỦY LỰC 53 3.1 Xây dựng mơ hình nghiên cứu đáp ứng độ trục quay truyền động thủy lực 54 3.1.1 Phân tích tổng quan 54 3.2.2 Mơ hình nghiên cứu 56 3.2 Thiết lập mơ hình tính tốn mơ tả toán học hệ thống 60 3.2.1 Mơ hình tốn bỏ qua biến dạng đàn hồi truyền đai thang 60 3.2.2 Mô hình tốn có tính đến biến dạng đàn hồi truyền đai thang 64 3.3 Mô đáp ứng độ tốc độ hệ 67 3.3.1 Phân tích điều khiển 67 3.3.2 Thiết kế điều khiển PID tự điều chỉnh mờ 68 3.4 Khảo sát đáp ứng độ điều khiển tự động tốc độ trục quay 71 3.4.1 Các số liệu mô 71 3.4.2 Đáp ứng tốc độ trục quay 72 3.5 Kết luận chương 81 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA TRỤC QUAY TRUYỀN ĐỘNG BẰNG THỦY LỰC 83 4.1 Xây dựng mơ hình thực nghiệm trục quay truyền động động thủy lực 83 4.1.1 Tính tốn nguồn truyền động thủy lực 83 4.1.2 Chọn hệ thống truyền động điều khiển thủy lực 86 4.1.3 Chế tạo lắp đặt thiết bị thực nghiệm trục quay 95 4.2 Xác định thông số điều khiển viết chương trình điều khiển hệ thống 97 4.3 Khảo sát thực nghiệm độ ổn định điều khiển tốc tộ trục quay 99 4.4 So sánh kết lý thuyết thực nghiệm 104 4.5 Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ dầu đến độ ổn định tốc độ trục quay 109 4.6 Kết luận chương 112 KẾT LUẬN CHUNG 114 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO 119 PHỤ LỤC PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu/ Từ viết tắt D0m Dtb D0b i0 i1 i2 1 2 Q pS P pt n0 n1 n2 nt Mm M0 NCH NTL Ndco J1 J0 J01 I KV 0 1 đ Ý nghĩa Thể tích riêng động thủy lực Thể tích riêng bơm dầu tạo tải Thể tích riêng bơm Tỷ số truyền truyền đai truyền từ động điện đến bơm dầu Tỷ số truyền truyền đai truyền từ động thủy lực trục quay Tỷ số truyền truyền đai truyền từ trục quay đến cụm bơm tạo tải Hiệu suất truyền động từ động thủy lực đến trục quay qua truyền đai Hiệu suất truyền động từ động điện đến bơm dầu qua truyền đai Lưu lượng vào/ra động thủy lực Áp suất cửa vào van tỷ lệ Áp suất làm việc động thủy lực Áp suất bơm tạo tải Tốc độ rô to động thủy lực Tốc độ trục quay Tốc độ trục bơm tạo tải Tốc độ cảm biến Momen từ áp suất bơm dầu tạo Mô men tạo tải trục quay Công suất trục quay Công suất trục động thủy lực Công suất động điện Mơ men qn tính khối lượng trục quay Mơ men qn tính khối lượng trục rơ to Mơ men qn tính khối lượng thu gọn trục rơ to động thủy lực Dịng van tỷ lệ Hệ số khuếch đại khuếch đại điều khiển van tỷ lệ Góc quay trục rơ to Góc quay trục quay Góc xoắn tương đối truyền đai thang biến dạng đàn hồi Đơn vị m3 m3 m3 m3/ph N/m2 N/m2 N/m2 vg/ph vg/ph vg/ph vg/ph Nm Nm kW kW kW Nms /rad Nms2/rad Nms2/rad mA (m 3/s)/m A Rad Rad Rad Ký hiệu/ Từ viết tắt Kn u0 u1 f0 f1 f01 C1 CH H T1, T2 r0 r1 k tr tqđ cmax-cxl exl PID IAE ISE ITAE Ý nghĩa Đơn vị Hệ số khuếch đại tốc kế Điện áp vào điều khiển khuếch đại Điện áp điều khiển van tỷ lệ Hệ số ma sát nhớt tương đương động Hệ số ma sát trục quay Hệ số ma sát thu gọn trục quay trục rô to động thủy lực Độ cứng chống xoắn truyền đai thang Độ cứng thủy lực Hệ số tắt dần Lực kéo dây đai phía Bán puly chủ động Bán puly bị động Hệ số đàn hồi dây đai Thời gian tăng Thời gian xác lập Độ vọt lố (POT - Percent of Overshoot) Sai số vòng quay chế độ xác lập Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân - vi phân Tích phân độ lớn tuyệt đối sai số Tích phân bình phương sai số Tích phân thời gian nhân với giá trị tuyệt đối sai số V/(vg/ph) VDC VDC Nms/rad Nms/rad Nms/rad mm mm giây giây % % 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 Bộ thông số điều khiển theo Ziegler-Nichols [46] Kết khảo sát [16] Kết tìm thơng số điều khiển PID [12] Hệ số áp suất phụ thuộc vào nhiệt độ [47] Đặc tính van servo van tỷ lệ [47] Các ứng dụng van servo van tỷ lệ [47] Phân loại điều khiển tự động thủy lực công bố [47] Mối liên hệ số khâu tích phân G(s)H(s) sai số xác lập Thông số hệ thống Quy tắc mờ KP Quy tắc mờ KI Quy tắc mờ KD Tổng hợp giá trị khảo sát (M0 = 0) Tổng hợp giá trị khảo sát đặt tải ban đầu Tổng hợp giá trị khảo sát đặt tải sau thời gian 5(s) Thông số kỹ thuật Thông số kỹ thuật van Thông số thiết bị Độ phân giải phép đo Tổng hợp giá trị khảo sát thực nghiệm với tải 0(Nm) Tổng hợp giá trị khảo sát thực nghiệm với tải 0,5(Nm) Tổng hợp giá trị khảo sát thực nghiệm với tải 1(Nm) Tổng hợp giá trị khảo sát thực nghiệm với tải 1,5(Nm) So sánh kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm (M0 = 0Nm) So sánh kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm (M0 = 0,5Nm) So sánh kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm (M0 = 1Nm) So sánh kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm (M0 = 1,5Nm) Tổng hợp kết đáp ứng độ xét đến nhiệt độ dầu Trang 13 16 18 31 38 38 47 50 60 69 69 69 73 77 81 84 89 94 99 99 100 101 102 104 105 106 107 110 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 Sơ đồ điều khiển theo áp suất [10] Sơ đồ nguyên lý thủy lực điều khiển tốc độ xilanh thủy lực với hai tín hiệu vào [46] Đáp ứng hình chữ nhật điều khiển tốc độ xilanh thủy lực [46] Mơ hình điều khiển động thủy lực [16] Sơ đồ nguyên lý thủy lực điều khiển động thủy lực van tỷ lệ [25] Mơ hình nghiên cứu [25] Sơ đồ khối hệ thống điều khiển PID tự điều chỉnh mờ [25] Kết điều khiển áp suất đặt 50bar [25] Kết điều khiển áp suất đặt 10bar Sơ đồ khối sai số hệ điều khiển vận tốc [10], [24] Sơ đồ khối [10], [24] Sai số hệ điều khiển vị trí [10], [24] Mơ hình độ cứng xilanh thủy lực [10], [24] Mơ hình độ cứng động thủy lực [10], [24] Mơ hình thủy lực ứng dụng ắc quy thủy khí [51] Cấu trúc hệ thống thủy lực [47] Dịng chảy ứng suất cắt [47] Mơ tả dịng chảy [47] Mơ tả dịng chảy qua van [47] Mơ hình động thủy lực với tải quán tính [36] Sơ đồ hệ thống [36] Đặc tính hiệu suất động [36] Sơ đồ trượt van 4/3 [47] Kết cấu van tỷ lệ [Bosch Rexroth AG] Sơ đồ khối điều khiển van [47] Quan hệ biến (a) điện (b) hệ thống thủy lực [47] Cấu trúc điều khiển chung hệ điều khiển tự động thủy lực [47] Sơ đồ khối đặc tính sai số [8] Độ vọt lố [8] Thời gian độ thời gian tăng [8] Đáp ứng tối ưu hệ thống [8] Sơ đồ khối thể đặc tính hệ điều khiển [10], [23] Mơ hình ứng dụng 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 Trang 10 13 14 15 17 19 20 20 21 21 22 23 24 25 26 29 31 33 33 35 36 37 39 40 40 43 46 48 49 49 51 53 55 57 57 mơ hình nghiên cứu, rút nhận xét sau: 1) Ở phạm vi thay đổi nhiệt độ dầu từ 450C đến 75 0C hệ thống cho đáp ứng dạng khâu quán tính, sai số xác lập đảm bảo phạm vi cho phép (có thể thấy sai số phạm vi 0,66 đến 2,43%) Tuy nhiên, qua bảng 4.13 thấy nhiệt độ tăng dần thời gian tăng (tr) thời gian xác lập (tqđ) tăng Điều hoàn toàn phù hợp mặt lý thuyết, giải thích tượng nhiệt độ cao độ nhớt dầu giảm nên độ đàn hồi dầu tăng, ma sát dầu phận thủy lực giảm, tổn thất tăng v.v làm cho thời gian đáp ứng lâu hơn; 2) Trên tất đáp ứng thực nghiệm thấy tốc độ trục quay có dao động chế độ xác lập, điều độ phân giải phép đo gây nên Tuy nhiên phạm vi dao động không 5% theo tiêu đánh giá đáp ứng độ hệ thống [8] Chứng tỏ rằng, ứng dụng điều khiển PID tự điều chỉnh mờ đáp ứng tốc độ trục quay đảm bảo tốt 3) So sánh với công bố Ali Abdul Mohsin Hassan AL-Assady cộng [12] phạm vi nhiệt độ thay đổi khoảng 600C đến 700C cho đáp ứng tốc độ 700 vg/ph tốt Mặt khác, kết nghiên cứu khác (đã cơng bố Hội nghị Cơ điện tử tồn quốc lần thứ 8, năm 2016) điều khiển theo PID cổ điển với thống số cố định phù hợp với tốc độ định tương ứng với phạm vi thông số điều khiển định Điều hạn chế trục quay làm việc nhiều tốc độ nhiều chế độ làm việc khác Do đó, ứng dụng điều điều khiển PID tự điều chỉnh mờ hoàn toàn phù hợp với hệ thống điều khiển tự động thủy lực mơ hình nghiên cứu 4.6 Kết luận chương Chương nghiên cứu thực nghiệm thực nội dung kết sau: 1) Thiết kế hệ thống, chế tạo phận truyền động lắp ráp phần tử điều khiển thực ghép nối tương thích thiết bị điều khiển thiết bị chấp hành Trong đó, tính tốn chọn nguồn truyền động, cấu tạo tải, chọn van tỷ lệ, động thủy lực, cảm biến tốc độ v.v nghiên cứu kết nối 112 vi điều khiển Arduino với máy vi tính để điều khiển cấu chấp hành lấy tín hiệu phản hồi đưa máy tính Số liệu kết thực nghiệm truyền máy tính liên tục theo thời gian thực suốt trình thiết bị hoạt động 2) Thiết lập thuật toán điều khiển PID tự điều chỉnh mờ xác định thông số điều khiển K’P, K’I K’D mơ hình thực nghiệm Phạm vi tìm kiếm tham số thực tốc độ trục quay từ đến 1100vg/ph 3) Viết chương trình điều khiển giao diện hệ thống, xử lý lưu số liệu khảo sát vẽ đáp ứng độ điều khiển tốc độ trục quay thực ứng dụng phần mềm IDE Matlab/Guide 4) Qua kết khảo sát thực nghiệm đạt chứng tỏ tham số điều khiển K’P, K’I K’D tự động điều chỉnh mờ cho kết tốt Trong phạm vi điều khiển tốc độ trục quay từ 300 đến 1100 vg/ph khơng có độ vọt lố, thời gian đáp ứng nhanh sai số xác lập nhỏ 5) Khi so sánh kết nghiên cứu thực nghiệm với kết nghiên cứu lý thuyết các đồ thị đáp ứng độ hệ gần giống nhau, sai lệch tiêu đáp ứng độ chúng không đáng kể 6) Khi nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ dầu đến đáp ứng độ, ta thấy phạm vi thay đổi nhiệt độ từ 450C đến 750C đáp ứng độ tốc độ đảm tiêu chất lượng hệ thống Tuy nhiên, nhiệt độ tăng dần thời gian tăng (tr) thời gian xác lập (tqđ) tăng, giải thích sau: Do trình thực nghiệm tìm hệ số K’P, K’I K’D mờ hợp lý nên đặc tính khâu quán tính (tiệm cận với tín hiệu vào), khơng có q trình dao động tắt dần Do đó, nhiệt độ cao độ nhớt dầu giảm, ma sát dầu thành ống, khe hở lỗ van giảm dẫn đến lưu lượng qua van tỷ lệ đến động thủy lực tăng Vấn đề phù hợp với kết công bố Fouly A cộng [33] 7) Kết với nhiệt độ dầu thủy lực phạm vi thay đổi lớn từ 450C đến 750C Tuy nhiên, theo khuyến cáo nhà sản xuất, để tăng tuổi thọ làm việc dầu thủy lực nhiệt độ dầu làm việc tốt ≤ 700C 113 KẾT LUẬN CHUNG CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA LUẬN ÁN Qua thời gian dài nghiên cứu hệ truyền động điều khiển thủy để thực đề tài luận án “Nghiên cứu điều khiển tốc độ trục quay truyền động động thủy lực”, luận án hoàn thành với với cấu trúc chương phần phụ lục Trong đó, thể đầy đủ mục tiêu nội dung nghiên cứu lý thuyết lẫn thực nghiệm Một số kết nghiên cứu đề tài tác giả công bố 04 báo cáo khoa học đăng kỷ yếu hội nghị chuyên ngành nước 01 báo đăng tạp chí nước, công bố 03 báo cáo khoa học đăng kỷ yếu hội nghị quốc tế tạp chí chun ngành quốc tế, Scopus 01 báo đăng tạp chí quốc tế (ISI-ESCI), đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ (giới thiệu tập công trình cơng bố luận án) Tất cơng bố liên quan đến đề tài nghiên cứu luận án Các kết luận án là: Về nghiên cứu lý thuyết: 1) Xây dựng mơ hình nghiên cứu điều khiển tốc độ cho trục quay truyền động động thủy lực Mô hình xây dựng có hai khâu đàn hồi hai giá trị mơ men qn tính khối lượng Thiết lập mơ tả tốn học sơ đồ khối sở biến đổi Laplace đại số sơ đồ khối hệ thống (hình 3.13) Đây sơ đồ quan trọng tốn nghiên cứu mơ đáp ứng hệ (mơ hình hệ bậc cao) 2) Đã thiết kế điều khiển PID tự điều chỉnh mờ để mô đáp ứng hệ Matlab/Simulink (hình 3.8) thực giao diện với máy tính Matlab/Guide 3) Kết nghiên cứu lý thuyết mô đáp ứng độ nhiều tốc độ trục quay Xác định đánh giá tiêu chất lượng động lực học thông qua đáp ứng độ hệ thống theo tiêu chuẩn ITAE, từ tìm thơng số PID tự điều chỉnh mờ sử dụng cho tất tốc độ chọn để nghiên cứu Với việc điều khiển thông số mà làm cho hệ bậc cao có đặc tính khâu qn tính (từ hình 3.20 đến hình 3.26) 114 Về nghiên cứu thực nghiệm: 1) Thiết kế hệ thống, chế tạo phận truyền động lắp ráp phần tử điều khiển thực ghép nối tương thích thiết bị điều khiển thiết bị chấp hành để điều khiển thiết bị thực nghiệm máy vi tính Số liệu kết thực nghiệm truyền máy tính liên tục theo thời gian thực suốt trình thiết bị hoạt động 2) Xác định tham số K’P (0.033, 0.153), K’I (0, 0.0001) K’D (0, 0.04) điều khiển PID tự động điều chỉnh mờ để sử dụng chương trình điều khiển Đáp ứng độ điều khiển tốc độ trục quay với tốc độ cài đặt (300, 500, 700, 900 1100vg/ph) kết khảo sát thực nghiệm kết nghiên cứu lý thuyết gần giống nhau, nhờ điều khiển mà đáp ứng mơ hình thực nghiệm gần giống khâu quán tính tối ưu (theo tiêu chuẩn ITAE) Các tiêu đáp ứng độ độ vọt lố gần 0, thời gian đáp ứng nhanh sai số xác lập nhỏ, tất nằm phạm vi sai số cho phép (từ hình 4.15 đến hình 4.17 từ bảng 4.5 đến bảng 4.7) Tính đóng góp luận án: Tính luận án thể rõ số vấn đề sau: 1) Những công bố trước nghiên cứu mơ hình khối lượng quay khâu đàn hồi Trong thực tế, có cấu với nhiều khối lượng quay nhiều khâu đàn hồi, nên mơ hình nghiên cứu điều khiển tốc độ trục quay truyền động động thủy lực với khối lượng quay với hai khâu đàn hồi đóng góp (hình 3.12) Bài tốn bổ sung, làm phong phú thêm loại mơ hình điều khiển hệ thủy lực chuyển động quay Kết đề tài phát triển để ứng dụng cho thiết bị truyền động trực tiếp từ động thủy lực đến cấu chấp hành qua truyền động truyền ăn khớp mà cần truyền chuyển động gián tiếp qua truyền đai Với nghiên cứu hình thức truyền động góp phần mở rộng phạm vi ứng dụng động thủy lực chế tạo thiết bị tự động 2) Các cơng trình số tác giả công bố số tạp chí điều khiển PID tự điều chỉnh mờ điều khiển tốc độ cố định phạm vi 115 điều chỉnh tốc độ nhỏ Ở đề tài thiết kế điều khiển PID tự điều chỉnh mờ để điều khiển nhiều tốc độ cài đặt khác có phạm vi điều chỉnh lớn, đồng thời với điều khiển đáp ứng hệ không ảnh hưởng thay đổi nhiệt dầu Đạt kết nhờ trình thử nghiệm để tìm giá trị phù hợp tham số (K’P, K’I K’D) tự động điều chỉnh mờ (ở công thức 4.16) Khả ứng dụng đề tài: 1) Kết luận án ứng dụng để phân tích, thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển số truyền động động thủy lực cho trục công tác chuyển động quay chuyển động thẳng qua truyền vít me-đai ốc (như hình 3.2) 2) Đề tài phục vụ nghiên cứu khoa học giảng dạy trường Đại học (máy thí nghiệm mô động lực học trục chuyển động quay truyền động động thủy lực phục vụ cho nghiên cứu giảng dạy khoa Cơ khí, trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng) 3) Kết nghiên cứu đề tài điều khiển PID tự điều chỉnh mờ ứng dụng cho hệ điều khiển chuyển động quay sở để chủ động nghiên cứu nắm bắt công nghệ nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tự động cánh hướng nhà máy thủy điện Việt Nam (Hiện nay, tất nhà máy thủy điện để ổn định tốc độ máy phát điện cần tự động ổn định lưu lượng nước cung cấp cho tuốc bin Để điều khiển cánh hướng cung cấp nước ổn định cho tuốc bin sử dụng hệ điều khiển thủy lực) Kết ứng dụng thiết bị sử dụng hệ truyền động thủy lực nói chung bàn máy máy cơng cụ nói riêng [34], [59] 4) Để kiểm chứng kết nghiên cứu đề tài, tác giả ứng dụng trục máy tiện Lý trục máy tiện cần ổn định tốc độ gia cơng, trục chuyển động không ổn định (do đàn hồi dầu yếu tố khác) bề mặt chi tiết gia cơng có tượng gằn So sánh độ bóng bề mặt chi tiết gia cơng truyền động động thủy lực với độ bóng bề mặt chi tiết gia công truyền động động điện pha điều khiển tốc độ biến tần truyền thống để đánh giá chất lượng truyền động hệ điều khiển thủy lực nghiên cứu (nội dung trình bày phần phụ lục 2) Hướng nghiên cứu tiếp theo: 116 Đề tài nghiên cứu đạt thành cơng có đóng góp Tuy nhiên, khn khổ nhiệm vụ nghiên cứu hạn chế điều kiện nghiên cứu nên luận án khó tránh khỏi thiếu sót Mặt khác, Việt Nam nay, lĩnh vực chưa có nhiều cơng bố, tài liệu tiếng việt để tham khảo nên nhiều vấn đề cần phải nghiên cứu để bước hoàn thiện, góp phần phát triển ứng dụng vào thực tế Sau số đề xuất hướng nghiên cứu nhằm hoàn thiện phát triển kết đề tài: 1) Nghiên cứu, khảo sát đặc tính áp suất hệ chuyển động quay 2) Nghiên cứu thực nghiệm tải thay đổi đột ngột đến đáp ứng độ điều khiển tốc độ trục quay 3) Nghiên cứu phương pháp điều khiển khác nhằm so sánh chất lượng điều khiển, đồng thời nghiên cứu ứng dụng phương pháp phù hợp với thiết bị cụ thể 4) Tiếp tục nghiên cứu sâu để thử nghiệm ứng dụng cho máy chun dùng có tải lớn, cơng suất lớn Truyền động điều khiển hệ thủy lực ứng dụng máy móc, thiết bị hướng nghiên cứu lớn nhà khoa học nhà sản xuất giới, lĩnh vực hướng nghiên cứu có triển vọng Việt Nam Đề tài điều khiển tốc độ trục quay truyền động động thủy lực theo mơ hình đề tài đạt kết ban đầu Kính mong góp ý q Thầy Đồng nghiệp để tiếp tục nghiên cứu sâu thực tế cho đề tài nghiên cứu 117 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ T.N Hai, L Cung, N.V Dung (2019), An Investigation on Speed Control of a Spindle Cluster Driven by Hydraulic Motor: Application to Metal Cutting Machines, International Journal of Rotating Machinery (ISI-ESCI), volume 2019, Article ID 4359524 (https://doi.org/10.1155/2019/4359524) T.N Hai, T.Q Bang, V.N Thanh, H.T Tien, T.X Tuy (2018), Modeling of Position Control for Hydraulic Cylinder Using Servo Valve, Springer International Publishing AG, part of Springer Nature (Scopus Indexed), ISBN: 978-3-319-75419-2, pp 696-706 T.N Hai, V.N Thanh, T.X Tuy (2018), The Research On Position Response Of Table Transmission By Hydraulic Motor, Proceedings the first International Conference on Material, Machines and Methods for Sustainable Development (MMMS), ISBN: 978-604-95-0502-7, pp 481-488 T.N Hai, L Cung, N.V Dung (2017), Experimental Investigation of Speed Control of Hydraulic Motor Using Proportional Valve, IEEE International Conference on System Science and Engineering (Scopus Indexed), ISBN: 9781-5386-3421-9 (ISSN Online: 2575-6028), pp 350-355 Trần Ngọc Hải (2018), Nghiên cứu thiết kế chế tạo cụm trục truyền động thủy lực cho máy tiện, Đề tài Khoa học Công nghệ cấp bộ, mã số: B2016-DNA-28-TT T.N Hải, L Cung, V.N Thành (2018), Một số kết nghiên cứu, chế tạo máy tiện tự động có trục truyền động động thủy lực, Hội nghị Khoa học Cơng nghệ tồn quốc Cơ khí lần thứ 5, ISBN: 978-604-67-1103-2, trang 194-202 T.N Hải, N.T Lý, T.X Tùy (2017), Nghiên cứu độ nhám bề mặt chi tiết gia công máy tiện trục truyền động động thủy lực, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ ĐHĐN, số 11(120)-Quyển 1, ISSN 1859-1531, trang 22-25 T.N Hải, L Cung, N.V Dũng (2016), Nghiên cứu thực nghiệm ổn định tốc độ trục máy tiện truyền động động thủy lực, Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ (VCM-2016), số ISBN: 978-604-913-503-3, trang 494-499 Trần Ngọc Hải (2014), Nghiên cứu độ ổn định tốc độ trục máy tiện truyền động động thủy lực, Hội nghị Toàn quốc lần thứ Cơ điện điện tử, số ISBN: 978-604-913-306-0, trang 180-185 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Trần Ngọc Hải (2008), “Nghiên cứu động lực học cụm bàn dao máy CNC điều khiển mô tơ thủy lực sử dụng van tỷ lệ”, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật [2] Trần Ngọc Hải (2012), “Mơ hình tính tốn động lực học máy vi tính hệ thủy lực điều khiển vị trí sử dụng van Servo”, Đề tài KH&CN cấp sở, MS T2012-02-35 [3] Trần Ngọc Hải (2013), “Nghiên cứu chế tạo mơ hình bàn máy CNC điều khiển vị trí động thủy lực”, Đề tài KH&CN cấp ĐH Đà Nẵng, MS Đ2013-02-55 [4] Trần Ngọc Hải (2014), “Nghiên cứu độ ổn định tốc độ trục máy tiện truyền động động thủy lực”, Hội nghị Toàn quốc lần thứ Cơ điện điện tử, trang 180-185 [5] Trần Ngọc Hải, Trần Xuân Tùy (2008), “Nghiên cứu động lực học cụm bàn dao máy CNC điều khiển thủy lực tính đến khối lượng dầu”, Tuyển tập báo cáo hội nghị toàn quốc lần thứ Cơ điện tử, trang 46-52 [6] Trần Ngọc Hải, Trần Xuân Tùy (2010), “Giáo trình phương pháp điều khiển tự động đại”, Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng [7] Trần Ngọc Hải, Trần Xuân Tùy (2011), “Giáo trình hệ thống truyền động thủy lực khí nén”, nhà xuất Xây Dựng [8] Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng (2005), “Lý thuyết điều khiển tự động”, nhà xuất Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh [9] Trần Ngọc Hải, Trần Xuân Tùy (2013), “Nghiên cứu đáp ứng độ bàn máy CNC truyền động động thủy lực ứng dụng điều khiển PID PID mờ, Hội nghị khoa học công nghệ tồn quốc khí lần thứ 3, trang 1324-1331 [10] Trần Xuân Tùy (2002), “Hệ thống điều khiển tự động thủy lực”, nhà xuất Khoa học Kỹ thuật 119 Tiếng Anh [11] Ahmet Murat Minar, Abdulkadir Gullu, Sezai Taskin (2012), “Statistical investigation of hydraulic driven circular interpolation motions”, Indian Academy of Sciences, Vol 37, pp 557-568 [12] Ali Abdul Mohsin Hassan AL-Assady, Mohammad Talib Jassim ALKhafaji (2013), “Design and Analysis of Electro-Hydraulic Servo System for Speed Control of Hydraulic Motor”, Journal of Engineering, Vol 19, pp 562573 [13] Amanuel Tadesse Gebrewold, Ma Jungong (2013), “Modeling and Simulation on Fuzzy-PID Position Controller of Electro Hydraulic Servo System”, International Journal of Science and Research (IJSR), pp 1000-1005 [14] Amin Maghareh, Christian E Silva, Shirley J Dyke (2018), “Servohydraulic actuator in controllable canonical form: Identification and experimental validation”, Mechanical Systems and Signal Processing, Vol 100, pp 398-414 [15] Andrzej Milecki, Dominik Rybarczyk (2015), “Modelling of an Electrohydraulic Proportional Valve with a Synchronous Motor”, Journal of Mechanical Engineering, Vol 61, pp 517-522 [16] Ayman A Aly (2005), “Self Tuning Fuzzy Logic Control of an Electrohydraulic Servo Motor”, ACSE Journal, Vol 5, pp 67-76 [17] Bauer G (1998), “Olhydraulik”, Teubner [18] Bethi Reshma, J Peter Jones (2016), “Design of electro hydraulic servo cylinder for position control of load”, International Journal of Mechanical And Production Engineering, pp 42-44 [19] Bibhuti Bhusan Ghosh, Bikash Kumar Sarkar and Rana Saha (2015), “Realtime performance analysis of different combinations of fuzzy-PID and bias controllers for a two degree of freedom electrohydraulic parallel manipulator”, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, Vol 34, pp 62-69 120 [20] Bora Eryilmaz, Bruce H Wilson (2006), “Unified modeling and analysis of a proportional valve”, Journal of the Franklin Institute, Vol 343, pp 48-68 [21] Chengwen Wang, Long Quan and et al (2017), “Reduced-order model based active disturbance rejection control of hydraulic servo system with singular value perturbation theory”, ISA Transactions, Vol 67, pp 455-465 [22] Christian C Mbaocha, Lakpah Emmanuel A (2015), Jonathan A Emmanuel, “A Numerical Machine Tool Controller for Servomechanisms”, International Journal of Scientific and Research Publications, Vol 5, pp 1-4 [23] Dieter Kretz (1986), “Inition la technique des servo-valves (Chapitre F)”, Mannesmann Rexroth GmbH, Lohr am Main [24] Double A (1989), “Closed loop training manual proportional & servo-valve”, Printed in USA [25] Edited by Sohail Iqbal, Nora Boumella and Juan Carlos Figueroa Garcia, (2012), Fuzzy Controllers - Recent Advances in Theory and Applications (Chapter 13: Kwanchai Sinthipsomboon, Issaree Hunsacharoonroj, Josept Khedari, Watcharin Po-ngaen and Pornjit Pratumsuwan, “A Hybrid of Fuzzy and Fuzzy Self-Tuning PID Controller for Servo Electro-Hydraulic System”), pp 299-314 [26] Forental V.I, Forental M.V, Nazarov F.M (2015), “Investigation of dynamic characteristics of the hydraulic drive with proportional control”, International Conference on Industrial Engineering, Vol 129, pp 695 - 701 [27] Fouly A., Sadak T.W and et al (2015), “Effect of Oil Temperature on the Performance of A Hydraulic Linear System Controlled with Electro Hydraulic Servo Valve”, Department of Production and Design Engineering, Minia University [28] Shen Gang, Zhu Zhencai, Zhao Jinsong and et al (2017), “Real-time tracking control of electro-hydraulic force servo systems using offline feedback control and adaptive control”, ISA Transactions 67, pp 356-370 121 [29] Garett A Sohl, James E Bobrow (1999), “Experiments and Simulations on the Nonlinear Control of a Hydraulic Servosystem”, IEEE Transactions on Control systems Technology, Vol 7, No 2, pp 238-247 [30] Grahan Jr et al (1986), “Electro-Hydraulic position control for a machine tool with actual and commanded position feedback”, International Journal of Machine Tool Design and Research, Vol 26 [31] Gustavo, K.C, Nariman, S (2015), “Hydrostatic transmissions and actuators”, Wiley, New York [32] Han Songshan, Jiao Zongxia and et al (2015), “Fuzzy robust nonlinear control approach for electro-hydraulic flight motion simulator”, Chinese Journal of Aeronautics, pp 294-304 [33] Kim Hongchul, Shin Young June, Kim Jung (2017), “Design and locomotion control of a hydraulic lower extremity exoskeleton for mobility augmentation”, Mechatronics 46, pp 32-45 [34] Ivantysyn J, Ivantysynova M (1993), “Hydrostatische Pumpen und Motoren”, Konstruktion und Berechnung, Vogel Buchverlag [35] Huang Jiahai, Quan Long (2016), “Characteristics of Proportional Flow Control Poppet Valve with Pilot Pressure Compensation”, 10th International Fluid Power Conference, pp 157-168 [36] John Stringer (1976), “Hydraulic Systems Analysis”, The Macmillan Press LTD, London and Basingstoke Associated companies in New York Dublin [37] Karam M Elbayomy, Jiao Zongxia, Zhang Huaqing (2008), “PID Controller Optimization by GA and Its Performances on the Electro-hydraulic Servo Control System”, Chinese Journal of Aeronautics, Vol 21, pp 378-384 [38] Kari T Koskinen, Matti J Vilenius (Published online 2014), “Steady State and Dynamic Characteristics of Water Hydraulic Proportional Ceramic Spool Valve”, International Journal of Fluid Power, Vol 1, pp 5-15 [39] Karl-Erik Rydberg (2016), “Hydraulic servo systems - Dynamic Properties and Control”, IEI/Fluid and Mechanical Engineering Systems 122 [40] Lencastre A (1987), “Handbook of Hydraulic Engineering”, Horwood [41] Gong Lishuang, Jin Baoquan, Zhang Hongjuan and et al (2017), “Antidisturbance proportional integral attitude control and stabilization of rolling hydraulic position system”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering, Vol 231, pp 117-130 [42] M K Barnwal, N Kumar, Ajit Kumar, J Das (2014), “Effect of hydraulic accumulator on the system parameters of an open loop transmission system”, 5th International & 26th All India Manufacturing Technology, Design and Research Conference (AIMTDR 2014), India, pp 3041-3045 [43] Majid Karimi, Farid Najafi and et al (2008), “Application of a flexible structure artificial neural network on a servo-hydraulic rotary actuator”, Int J Adv Manuf Technol, pp 559-569 [44] Mat Hussin Ab Tali, Intan Z Mat Darus (2013), “Self-Tuning PID Controller for Active Suspension System with Hydraulic Actuator”, IEEE Symposium on Computers and Informatics, pp 86-91 [45] Merritt HE (1967), “Hydraulic Control Systems”, Wiley, New York [46] Ming Xu, Bo Jin, Guojin Chen and Jing Ni (2013), “Speed-Control of Energy Regulation Based Variable-Speed Electrohydraulic Drive”, Journal of Mechanical Engineering, Vol 59, pp 433-442 [47] Mohieddine J Elali, Andreas Kroll (2004), “Hydraulic Servo-systems”, Springer, Verlag London Ltd [48] Oertel H (1999), “Strömungsmechanik”, Vieweg [49] Peter, C (2015), “Principles of Hydraulic Systems Design” Momentum Press, LLC, New York [13] [50] Pornjit Pratumsuwan, Siripun Thongchai and Surapun Tansriwong (2010), “A Hybrid of Fuzzy and Proportional-Integral-Derivative Controller for ElectroHydraulic Position Servo System”, Energy Research Journal, pp 62-67 123 [51] Pourmovahed A., Otis D R, (1984), “Effects of Thermal Damping on the Dynamic Response of a Hydraulic Motor-Accumulator System”, Journal of Dynamic Systems Measurement and Control, Vol 106, pp 21-25 [52] Pourmovahed A., Otis D R, (1990), “An Experimental Thermal TimeConstant Correlation for Hydraulic Accumulators”, Journal of Dynamic Systems Measurement and Control, Vol 112, pp 116-121 [53] R Ghazali, A W I M Hashim and et al (2010), “Position Tracking Control of an Electro-hydraulic Servo System using Sliding Mode Control”, Proceedings of IEEE Student Conference on Research and Development, pp 240-245 [54] Ramli Adnan, Mazidah Tajjudin, Norlela Ishak and et al (2011), “Self-tuning Fuzzy PID Controller for Electro - Hydraulic Cylinder”, 2011 IEEE 7th International Colloquium on Signal Processing and its Applications, pp 395-398 [55] Reinhard Brandstetter, Till Deubel, Bernd Winkler and et al (2016), “Digital hydraulics and Industrie 4.0’’, Part I, Journal of Systems and Control Engineering, pp 1-12 [56] Richard CD, Robert HB (2010), “Modern Control Systems”, 12th ed Upper Saddle River: Pearson Prentice Hall [57] Shibly Ahmed AL-Samarraie cộng (2015), “Sliding Mode Control for Electro-Hydraulic Servo System”, Iraqi journal of computers, communication and control & systems engineering, Vol.15, No.3, pp 1-10 [58] Kang Shuo, Yan Hao, Dong Lijing, Li Changchun (2018), “Finite-time adaptive sliding mode force control for electrohydraulic load simulator based on improved GMS friction model”, Mechanical Systems and Signal Processing, pp 117-138 [59] Slattery JC (1972), “Momentum, Energy and Mass Transfer in Continua”, McGraw-Hill [60] Spurk JH (1996), “Strömungslehre: Einführung in der Strömungen”, Springer 124 die Theorie [61] Lin Tianliang, Wang Lang and et al (2017), “Performance analysis of an automatic idle speed control system with a hydraulic accumulator for pure electric construction machinery”, Automation in Construction, Vol 84, pp 184194 [62] HO Triet Hung, AHN Kyoung Kwan (2010), “Modeling and simulation of hydrostatic transmission system with energy regeneration using hydraulic accumulator”, Journal of Mechanical Science and Technology, Vol 24, pp 1163–1175 [63] Truong Dinh Quang, Ahn Kyoung Kwan (2009), “Force control for hydraulic load simulator using self-tuning grey predictor - fuzzy PID”, Mechatronics 19, pp 233-246 [64] Ding Wen-hua, Deng Hua and et al (2017), “Tracking control of electrohydraulic servo multi-closed-chain mechanisms with the use of an approximate nonlinear internal model”, Control Engineering Practice, Vol 58, pp 225-241 [65] Deng Wenxiang, Yao Jianyong, Ma Dawei (2017), “Robust adaptive precision motion control of hydraulic actuators with valve dead-zone compensation”, ISA Transactions, Vol 70, pp 269-278 [66] White FM (1986), “Fluid Mechanics”, McGraw-Hill [67] Will D, Strohl H, Gebhardt N (1999), “Hydraulik”, Grundlagen, Komponenten, Schaltungen, Springer [68] Kong Xiangzhen, Majumdar Hasan, Zang Faye et al (2018), “A multiswitching mode intelligent hybrid control of electro-hydraulic proportional systems”, Part C, Journal of Mechanical Engineering Science, pp 1-12 [69] Yao Jian-jun, Di Duo-tao and et al (2012), “High Precision Position Control of Electro-Hydraulic Servo System Based on Feed-Forward Compensation”, Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, pp 289298 [70] Zulfatman, M F Rahmat (2009), “Application of self-tuning fuzzy PID controller on industrial hydraulic actuator using system identification approach”, 125 International journal on smart sensing and intelligent systems, Vol 2, No 2, pp 246-261 Website [71] Information on https://www.arduino.cc [Truy cập: 15/05/2016] [72] Information on http://www.ti.com/product/DAC8043 [Truy cập: 20/12/2016] [73] Information on http://pes-rus.ru/en/goods/goods/1674 [Truy cập: 10/07/2017] [74] Information on https://uk.mathworks.com/products/MATLAB.html [Truy cập: 10/01/2017] [75] Information on http:// www.senday.com.tw/en/feeding01.html [Truy cập: 17/02/2016] [76] Information on http:// http://www.fuji.co.jp/e/ [77] Information on [Truy cập: 17/02/2016] http://www.bkmech.com.vn/tim-hieu-ve-truc-chinh-may- cnc.html [Truy cập: 17/02/2016] 126 ... minh hệ thống truyền động điều khiển tự động thủy lực có nhiều ưu điểm bật so với hệ truyền động điều khiển tự động khác (truyền động khí, truyền động động điện), cụ thể: - Hệ thống thủy lực tạo... phong phú thêm nghiên cứu lĩnh vực điều khiển hệ thủy lực Việt Nam ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu đáp ứng độ tốc độ trục quay truyền động động thủy lực Mơ hình... kết nghiên cứu ứng dụng điều khiển PID tự điều chỉnh mờ để điều khiển cụm van servo - động thủy lực Mơ hình nghiên cứu thể hình 1.6 Hình Mơ hình nghiên cứu [25] Chuyển động quay động điều khiển