Nghiên cứu thiết kế một bộ điều khiển phi tuyến cho các cơ cấu chấp hành thủy khí

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Nghiên cứu thiết kế điều khiển phi tuyến cho cấu chấp hành thủy khí PHẠM ĐỨC THỊNH Thinh.pd2011330M@sis.hust.edu.vn Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Trần Xuân Bộ Bộ mơn: Máy Tự động Thủy Khí Khoa: Cơ khí động lực Trường: Cơ khí Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 3/2023 i CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lâp – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Phạm Đức Thịnh Đề tài luận văn: Nghiên cứu thiết kế điều khiển phi tuyến cho cấu chấp hành thủy khí Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số SV: 20211330M Tác giả, người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày…… tháng … năm 2023 với nội dung sau: Nội dung : Chỉnh sửa lỗi trình bày, lỗi đánh máy Nội dung : Chỉnh sửa nội dung kết luận phù hợp với kết trình bày Nội dung 3: Chỉnh sửa sơ đồ, kí hiệu theo tiêu chuẩn quy định Ngày tháng Giáo viên hướng dẫn năm 2023 Tác giả luận văn PGS TS Trần Xuân Bộ Phạm Đức Thịnh CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS Trần Khánh Dương ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu thân tơi hướng dẫn PGS TS Trần Xuân Bộ Luận văn phần hướng nghiên cứu “Nghiên cứu ứng dụng mơ hình ma sát mơ điều khiển xy lanh khí nén” TS Nguyễn Văn Lại thực Đại học Bách Khoa Hà Nội Các kết nêu báo cáo luận văn trung thực, khơng phải chép tồn văn cơng trình khác NGƯỜI THỰC HIỆN PHẠM ĐỨC THỊNH iii ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Thông tin học viên Họ tên: PHẠM ĐỨC THỊNH Điện thoại: 0975912026 Email: duchthinh.hyd@mail.com Lớp: 21ACKĐL-KH04 Mã số học viên: 20211330M Hệ đào tạo: Thạc sĩ khoa học Luận văn thạc sĩ thực tại: Trường khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội Mục tiêu luận văn Nghiên cứu đề xuất phương pháp điều khiển phi tuyến để nâng cao chất lượng điều khiển vị trí xy lanh khí nén cho hệ thống truyền động servo khí nén Nhiệm vụ luận văn ™ Đề tài: Nghiên cứu thiết kế điều khiển phi tuyến cho cấu chấp hành thủy khí ™ Mã đề tài: 21ACKĐL-KH04 ™ Các nhiệm vụ cụ thể: - Nghiên cứu phương pháp điều khiển điều khiển vị trí xy lanh khí nén dựa cơng trình khoa học công bố - Thiết kế phương pháp điều khiển phi tuyến phù hợp có khả nâng cao chất lượng điều khiển vị trí xy lanh khí nén - Xây dựng chương trình mơ phần mềm Matlab/simulink để đánh giá phương pháp điều khiển - Xây dựng hệ thống thực nghiệm để đánh giá phương pháp điều khiển - Viết báo cáo khoa học Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên PGS TS Trần Xuân Bộ iv LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập nghiên cứu, em hoàn thành nội dung luận văn “Nghiên cứu thiết kế điều khiển phi tuyến cho cấu chấp hành thủy khí” Luận văn hồn thành khơng cơng sức thân tác giả mà cịn có giúp đỡ, hỗ trợ tích cực nhiều cá nhân tập thể Trước hết, em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến PGS TS Trần Xuân Bộ người trực tiếp hướng dẫn luận văn cho em Thầy dành cho em nhiều thời gian, tâm sức, cho em nhiều ý kiến, nhận xét quý báu, chỉnh sửa cho em chi tiết nhỏ luận văn, giúp luận văn em hoàn thiện mặt nội dung hình thức Thầy quan tâm, động viên, nhắc nhở kịp thời để em hồn thành luận văn tiến độ Em xin gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Văn Lại ý kiến đóng góp quý báu quan tâm, động viên bảo tận tình thầy vừa giúp em có khích lệ, tin tưởng vào thân, vừa tạo động lực nhắc nhở em có trách nhiệm với đề tài mình, giúp em hồn chỉnh luận văn tốt Đặc biệt việc tham gia nghiên cứu đề tài luận án Tiến sĩ Thầy Đại học Bách Khoa Hà Nội Em xin gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Khoa Cơ khí Động lực, Trường Cơ khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội Thầy/Cô môn Máy Tự động Thuỷ Khí ln tạo điều kiện thuận lợi, nhiệt tình giúp đỡ em trình học tập nghiên cứu Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè lớp cao học 21ACKĐL, anh/chị đồng nghiệp ln động viên, quan tâm giúp đỡ em trình học tập thực luận văn v TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Với lợi lớn mang lại, ngày hệ thống truyền động khí nén sử dụng rộng rãi lĩnh vực công nghiệp sản xuất, y tế, hàng không vũ trụ…Tuy nhiên, đặc tính phi tuyến cao tính khơng đầy đủ mơ hình tốn học hệ thống nên việc điều khiển xác phản hồi nhanh vị trí hệ truyền động khí nén ln gây khó khăn cho hệ thống điều khiển Luận văn đề xuất phương pháp điều khiển phi tuyến hiệu bền vững kết hợp bù ma sát để điều khiển xác vị trí xy lanh khí nén Để làm điều đó, hệ thống servo khí nén sử dụng xy lanh khí nén tác động kép hai van điều khiển tỷ lệ lưu lượng nghiên cứu Mơ hình tốn học hệ thống xây dựng dựa phương trình van, phương trình liên tục phương trình lực pít tơng Bộ điều khiển thiết kế dựa lý thuyết điều khiển trượt đa mặt để giải độ phi tuyến hệ thống servo khí nén Lực ma sát tính tốn bù vào hệ thống cách liên tục theo trạng thái chuyển động pít tơng Mơ hình ma sát tính tốn dựa mơ hình ma sát LuGre, mơ hình ma sát động sử dụng nhiều mơ tả đầy đủ đặc điểm ma sát hệ thống học dễ dàng q trình tính tốn Độ ổn định tuyệt đối hệ thống phân tích dựa tiêu chuẩn ổn định Lyapunov Bộ điều khiển đề xuất kiểm nghiệm phương pháp mô phương pháp thực nghiệm Chất lượng điều khiển đánh giá thông qua kết điều khiển vị trí pít tơng với đầu vào mong muốn dạng bước dạng dao động hình sin có biên độ tần số khác Ngoài ra, điều khiển đề xuất đánh giá cách so sánh kết điều khiển với điều khiển trượt đa bề mặt điều khiển phi tuyến khác Kết đạt cho phép sai số vị trí trung bình bình phương tuyệt đối đạt tới 2%, sai số đỉnh hình sin mà pít tơng đổi chiều chuyền động cải thiện cách rõ rệt ổn định so với phương pháp điều khiển trượt thông thường Với kết điều khiển triển khai ứng dụng vào thực tiễn để cải thiện chất lượng điều khiển cho hệ thống điều khiển servo khí nén như: Robot hàn ngành cơng nghiệp sản xuất ô tô, Robot phân loại sản phẩm lĩnh vực thực phẩm, y học hay hệ truyền động Robot nhân tạo… Người thực Ký ghi rõ họ tên vi MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN iii ĐỀ TÀI LUẬN VĂN iv LỜI CẢM ƠN v TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN vi MỤC LỤC vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix DANH MỤC HÌNH VẼ x DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii MỞ ĐẦU xiv CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Ứng dụng hệ thống truyền động servo khí nén 1.3 Tổng quan nghiên cứu điều khiển hệ thống servo khí nén 1.4 Mục đích nghiên cứu 1.5 Kết cấu luận văn CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG SERVO KHÍ NÉN 2.1 Xây dựng sơ đồ nguyên lý hệ thống 2.2 Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống servo khí nén Phương trình lưu lượng van tỉ lệ điện - khí nén Phương trình liên tục xy lanh khí nén 13 2.3 Phương trình trạng thái hệ thống 19 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 20 3.1 Chiến lược điều khiển 20 3.2 Thiết kế điều khiển 21 Các giả thiết 21 Thiết kế điều khiển đa mặt trượt 22 3.3 Phân tích tính ổn định hệ thống 24 Mặt trượt thứ ba 24 Mặt trượt thứ hai 25 Mặt trượt thứ 25 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ BỘ ĐIỀU KHIỂN BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 27 vii 4.1 Chương trình điều kiện mô 27 Khối mơ hệ thống servo khí nén 28 Khối mô điều khiển 31 4.2 Kết mô thảo luận 32 Kết với tín hiệu dạng bước 32 Kết mơ với tín hiệu hình sin A = 0.1 m; f = 0.1 Hz 34 Kết mơ với tín hiệu hình sin A = 0.1m, f = 0.5Hz 36 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ BỘ ĐIỀU KHIỂN BẲNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 39 5.1 Xây dựng hệ thống thực nghiệm 39 5.2 Điều kiện thí nghiệm chương trình điều khiển 44 5.3 Kết thảo luận 45 Kết tín hiệu điều khiển dạng bước 45 Tín hiệu điều khiển hình sin với A = 0.1m; f = 0.1Hz 48 Tín hiệu điều khiển hình sin với A = 0.1m; f = 0.5Hz 50 CHƯƠNG KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC Đà CÔNG BỐ 61 PHỤ LỤC 62 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ 77 viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TĐKN : Truyền động khí nén MSSC : Multiple surface sliding control – Điều khiển trượt đa mặt DAC : Digital to Analog Converter – Bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự ADC : Analog to digital converter – Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số RMSE : Root Mean Square Error – Sai số trung bình bình phương Peak error : Sai số vị trí tuyệt đối lớn CNC : Computer Numerical Control Bộ điều khiển MSS : Bộ điều khiển trượt đa mặt ix DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 Các phần tử hệ thống servo khí nén Hình 1-2 Robot hàn cơng nghiệp Hình 1-3 Robot phân loại sản phẩm Hình 1-4 Bàn tay robot nhân tạo Festo Hình 2-1 Sơ đồ hệ thống servo điều khiển vị trí xy lanh khí nén Hình 2-2 Mơ hình chất khí từ bình chứa chuyển động qua khe hẹp Hình 2-3 Mơ hình hố van tỉ lệ 10 Hình 2-4 Mơ hình biến dạng sợi liên kết hai mặt tiếp xúc 18 Hình 3-1 Sơ đồ điều khiển đề xuất 21 Hình 4-1 Hệ thống điều khiển 27 Hình 4-2 Khối mơ hệ thống servo khí nén 28 Hình 4-3 Khối mơ van tỉ lệ khí nén cửa vị trí số 29 Hình 4-4 Khối mơ van tỉ lệ khí nén cửa vị trí số 30 Hình 4-5 Khối mơ xy lanh khí nén 31 Hình 4-6 Khối mơ điều khiển đề xuất 31 Hình 4-7 Khối mơ hình ma sát Lugre 32 Hình 4-8 Kết mơ điều khiển với tín hiệu vào dạng bước xd 0.2 m tải M = 0.5kg, áp suất ps = 4x10 N/m 32 Hình 4-9 Kết mơ điều khiển với tín hiệu vào dạng bước xd 0.01 m tải M = 0.5kg, áp suất ps = 4x105 N/m2 33 Hình 4-10 Kết mơ điều khiển MSSC với tín hiệu điều khiển xd 0.15  0.1sin(2S 0.1t ) , tải M = 0.5kg, áp suất ps = 4x105 N/m2 34 Hình 4-11 Sai số kết mơ điều khiển MSSC với tín hiệu điều khiển xd 0.15  0.1sin(2S 0.1t ) , tải M = 0.5 kg, áp suất ps = 4x105 N/m2 35 Hình 4-12 Kết mơ điều khiển đề xuất với tín hiệu điều khiển xd 0.15  0.1sin(2S 0.1t ) , tải M = 0.5 kg, áp suất ps= 4x105 N/m2 36 Hình 4-13 Sai số kết mơ điều khiển đề xuất với tín hiệu điều khiển xd 0.15  0.1sin(2S 0.1t ) , tải M = 0.5 kg, áp suất ps= 4x105 N/m2 36 Hình 4-14 Kết mơ điều khiển MSSC với tín hiệu điều khiển xd 0.15  0.1sin(2S 0.5t ) , tải M = 0.5 kg, áp suất ps= 4x105 N/m2 37 Hình 4-15 Sai số kết mơ điều khiển MSSC với tín hiệu điều khiển xd 0.15  0.1sin(2S 0.5t ) , tải M = 0.5kg, áp suất ps= 4x105 N/m2 37 Hình 4-16 Kết mơ điều khiển đề xuất với tín hiệu điều khiển xd 0.15  0.1sin(2S 0.5t ) , tải M = 0.5kg, áp suất ps = 4x105 N/m2 38 x Hình 4-5 Khối mơ xy lanh khí nén Khối mơ điều khiển Hình 4-6 Khối mơ điều khiển đề xuất 31 Hình 4-7 Khối mơ hình ma sát Lugre 4.2 Kết mơ thảo luận Trong phần này, Học viên thực nghiên cứu mô điều khiển với điều khiển đề xuất (điều khiển trượt có bù ma sát) điều khiển trượt không bù ma sát (MSSC) Điều kiện mô cho hai điều khiển thực giống với thông số cho điều khiển trượt I1 0.005, I2 0.1, I1 0.5, K1 K K3 D 60 Thơng số ước tính ma sát chọn k3 = 5000 Kết mô thực với hai dạng tín hiệu điều khiển vị trí pít tơng mong muốn tín hiệu dạng bước tín hiệu hình sin Kết với tín hiệu dạng bước 0.25 Vị trí pít tơng (m) 0.2 0.201 0.2 0.199 0.198 0.15 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 0.05 0 0.5 1.5 2.5 Thời gian (s) 3.5 4.5 Hình 4-8 Kết mơ điều khiển với tín hiệu vào dạng bước xd tải M = 0.5kg, áp suất ps = 4x105 N/m2 0.2 m 32 Để đánh giá hiệu điều khiển đề xuất với điều khiển trượt MSSC với tín hiệu điều khiển mong muốn dạng bước, Học viên tiến hành mô với hai giá trị mong muốn xd 0.2 m xd 0.01 m Hình 4-8 trình bày kết điều khiển đề xuất (nét đỏ đứt) điều khiển trượt MSSC (nét đứt xanh) với đầu vào vị trí pít tơng mong muốn xd 0.2 m (nét chấm đứt đen) Vị trí ban đầu pít tơng xy lanh đặt vị trí m Kết cho thấy hai điều khiển đề xuất điều khiển trượt điều khiển pít tơng xy lanh bám nhanh đạt vị trí mong muốn 0.2 m Sai số tuyệt đối lớn điều kiện ổn định hai điều khiển nhỏ 0.001 m Tuy nhiên, nhận thấy rằng, sai số trạng thái ổn định điều khiển đề xuất nhỏ nhiều so với điều khiển trượt MSSC Sai số trạng thái ổn định điều khiển đề xuất 0.1 mm điều khiển MSSC khoảng 0.3 mm Hơn nữa, điều khiển đề xuất cho kết bám vị trí mong muốn nhanh với thời gian bám tới vị trí mong muốn lần đầu 0.12 s thời gian để đạt trạng thái ổn định 0.3 s so với điều khiển trượt 0.4 s Do vậy, việc cộng thêm ma sát điều khiển đề xuất giúp cải thiện sai số tốc độ bám vị trí mong muốn pít tơng 0.012 0.01 Vị trí pít tơng (m) 0.011 0.01 0.009 0.008 0.008 0.006 0.004 0.2 0.4 0.6 0.8 0.002 0 0.5 1.5 2.5 Thời gian (s) 3.5 4.5 Hình 4-9 Kết mơ điều khiển với tín hiệu vào dạng bước xd tải M = 0.5kg, áp suất ps = 4x105 N/m2 xd 0.01 m Hình 4-9 kết mơ với tín hiệu mong muốn dạng bước 0.01 m Kết điều khiển đề xuất (nét đỏ đứt) điều khiển trượt MSSC (nét đứt xanh) với đầu vào vị trí pít tơng mong muốn xd 0.01 m (nét chấm đứt đen) Các điều kiện mô phỏng, thông số điều khiển trượt giữ nguyên Từ đồ thị ta có thê thấy, vị trí mong muốn nhỏ, điều khiến đề xuất cho kết pít tơng bám vị trí mong muốn xác Bộ điều khiển đề xuất cho kết bám tới vị trí mong muốn lần đầu nhanh 0.03 s với độ vượt lớn 0.5 mm Ngay sau pít tơng đạt trạng thái ổn định đứng yên vị trí mong muốn với sai số nhỏ 0.1 mm Trong điều khiển 33 trượt bám tới vị trí mong muốn lần đầu khoảng 0.18 s Kết điều khiển trượt không gây độ vọt lố, sai số trạng thái ổn định lớn điều khiển đề xuất (0.5 mm) thời gian đạt trạng thái ổn định khoảng 0.72 s kể từ lúc bám tới vị trí mong muốn lần Kết mơ với tín hiệu hình sin A = 0.1 m; f = 0.1 Hz Hình 4-10 Hình 4-12 trình bày kết bày kết mơ điều khiển điều khiển MSSC điều khiển đề xuất với đầu vào mong muốn dạng hình sin Trong pít tơng xy lanh dao động quanh vị trí 0.15 m với biên độ 0.1 m, tần số 0.1 Hz, khối lượng tải M=0.5 kg áp suất ps=4x105 N/m2 Đường nét đứt màu đỏ x vị trí thực tế pít tơng xy lanh cảm biến vị trí đo Đường nét liền xd màu đen vị trí mong muốn pít tơng Pít tơng ban đầu đặt vị trí m Sai số tuyệt đối hai điều khiển thể Hình 4-11 Hình 4-13 0.3 Vị trí pít tơng (m) 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 10 20 Thời gian (s) 30 40 Hình 4-10 Kết mơ điều khiển MSSC với tín hiệu điều khiển xd 0.15  0.1sin(2S 0.1t ) , tải M = 0.5kg, áp suất ps = 4x105 N/m2 34 0.006 0.004 Sai số (m) 0.002 -0.002 -0.004 -0.006 10 20 Thời gian (s) 30 40 Hình 4-11 Sai số kết mơ điều khiển MSSC với tín hiệu điều khiển xd 0.15  0.1sin(2S 0.1t ) , tải M = 0.5 kg, áp suất ps = 4x105 N/m2 Kết mô điều khiển MSSC Hình 4-10 Hình 4-11 cho thấy kết bám pít tơng tốt Thời gian pít tơng chuyển động tới vị trí mong muốn lần đầu nhanh với sai số khoảng tuyệt đối trạng thái ổn định khoảng 0.004 m Tuy nhiên, vị trí đầu đỉnh hình sin, mà pít tơng đảo chiều chuyển động sai số tuyệt đối tương đổi lớn Cũng với điều kiện mô trên, điều khiển đề xuất cho kết điều khiển tốt hơn, trình bày Hình 4-12 Hình 4-13 Thời gian bám tới vị trí điều khiển mong muốn lần đầu nhanh nhanh điều khiển MSSC Sai số tuyệt đối trạng thái ổn định giảm xuống đáng kể từ 0.004 m xuống khoảng 0.0012 m Hơn nữa, vị trí pít tơng đảo chiều chuyển động cải thiện cách đáng kể mà lực ma sát tính tốn theo trạng thái chuyển động psiton tích hợp thuật tốn điều khiển 35 0.3 Vị trí pít tơng (m) 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 10 20 Thời gian (s) 30 40 Hình 4-12 Kết mơ điều khiển đề xuất với tín hiệu điều khiển xd 0.15  0.1sin(2S 0.1t ) , tải M = 0.5 kg, áp suất ps= 4x105 N/m2 0.006 0.004 Sai số (m) 0.002 -0.002 -0.004 -0.006 10 20 Thời gian (s) 30 40 Hình 4-13 Sai số kết mơ điều khiển đề xuất với tín hiệu điều khiển xd 0.15  0.1sin(2S 0.1t ) , tải M = 0.5 kg, áp suất ps= 4x105 N/m2 Kết mô với tín hiệu hình sin A = 0.1m, f = 0.5Hz Hình 4-14 Hình 4-16 trình bày kết bám pít tơng xy lanh với tín hiệu điều khiển đầu vào dạng hìn sin xd 0.15  0.1sin(2S 0.5t ) điều khiển MSSC điều khiển đề xuất với điều kiện mô Trong pít tơng xy lanh dao động quanh vị trí 0.15 m với biên độ 0.1 m, tần số 0.5 Hz, khối lượng tải M=0.5 kg áp suất ps=4x105 N/m2 Đường nét đứt màu đỏ x vị trí thực tế pít tơng xy lanh cảm biến vị trí đo Đường nét liền xd màu đen vị trí mong muốn pít tơng Pít tơng ban đầu đặt vị trí m Sai số tuyệt đối hai điều khiển thể Hình 4-15 Hình 4-17 Kết cho thấy chất lượng điều khiển đề xuất tốt hơn, với sai số 36 tuyệt đối trạng thái ổn định không vượt 0.003 m (3%) tốt nhiều so với sai số tuyệt đối khoảng 0.005m (5%) điều khiển MSSC Kết bám theo vị trí cải thiện cách đáng kể vị trí pít tông xy lanh thay đổi chiều chuyển động nhờ phần bù lực ma sát vào thuật toán điều khiển 0.3 xd x Vị trí pít tơng (m) 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 Thời gian (s) 10 Hình 4-14 Kết mơ điều khiển MSSC với tín hiệu điều khiển xd 0.15  0.1sin(2S 0.5t ) , tải M = 0.5 kg, áp suất ps= 4x105 N/m2 0.01 Sai số (m) 0.005 -0.005 -0.01 Thời gian (s) 10 Hình 4-15 Sai số kết mơ điều khiển MSSC với tín hiệu điều khiển xd 0.15  0.1sin(2S 0.5t ) , tải M = 0.5kg, áp suất ps= 4x105 N/m2 37 0.3 Vị trí pít tông (m) 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 Thời gian (s) 10 Hình 4-16 Kết mơ điều khiển đề xuất với tín hiệu điều khiển xd 0.15  0.1sin(2S 0.5t ) , tải M = 0.5kg, áp suất ps = 4x105 N/m2 0.01 Sai số (m) 0.005 -0.005 -0.01 Thời gian (s) 10 Hình 4-17 Sai số kết mô điều khiển đề xuất với tín hiệu điều khiển xd 0.15  0.5sin(2S 0.1t ) , tải M = 0.5kg, áp suất ps = 4x105 N/m2 38 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ BỘ ĐIỀU KHIỂN BẲNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 5.1 Xây dựng hệ thống thực nghiệm Hình 5-1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống thực nghiệm Từ nhiệm vụ đề tài luận văn giao kết mô trình bày CHƯƠNG Ta cần xây dựng hệ thống servo khí nén với vị trí pít tơng xylanh điều khiển thuật toán điều khiển trượt đa mặt kết hợp với bù ma sát cho hệ thống Bộ điều khiển trượt đa mặt thiết kế (CHƯƠNG 3) với ba mặt trượt mặt trượt vị trí, mặt trượt vận tốc mặt trượt lực Do hệ thống cần đo đạc thơng số đầu vào cho điều khiển gồm có: vị trí pít tơng, vận tốc pít tơng áp suất khoang xy lanh khí nén Tồn liệu đo đạc gửi máy tính để xử lý tính tốn luật điều khiển Sau hệ thống xuất tín hiệu điều khiển van tỉ lệ khí nén để điều chỉnh lưu lượng cấp vào khoang xy lanh Cứ hệ thống điều khiển theo dõi liên tục điều khiển vị trí pít tơng theo vị trí mong muốn Ứng với vị trí thực tế pít tơng đo về, điều khiển tính tốn xuất tín hiệu điều khiển lưu lượng cung cấp van tỉ lệ Để đáp ứng yêu cầu trên, hệ thống thí nghiệm cần phải có: • 01 xy lanh khí nén cần, tác động hai phía • 01 cảm biến hành trình cho xy lanh khí nén • 02 cảm biến áp suất cho hai khoang xy lanh • 02 van tỉ lệ khí nén 3/2 39 • 01 biến đổi tín hiệu tương tự analog sang tín hiệu số digital ngược lại, để kết nối hệ thống thí nghiệm với máy tính • 01 máy nén khí • 01 xử lý khí nén Sơ đồ nguyên lý hệ thống thực nghiệm servo khí nén trình bày Hình 5-1 Hệ thống gồm có xy lanh khí nén cần tác động hai phía Chuyển động pít tơng xy lanh kiểm sốt cách cung cấp lưu lượng m m vào hai khoang xy lanh Lưu lượng hai buồng xy lanh điều khiển độc lập cách sử dụng hai van tỉ lệ lưu lượng cửa, vị trí Vị trí pít tơng xy lanh đo cảm biến hành trình, cảm biến gắn song song với cần pít tơng xy lanh Đầu cần pít tơng gắn vào ray trượt để lắp tải cho hệ thống thí nghiệm Hai cảm biến áp suất cho hai khoang xy lanh gắn đầu vào khoang làm việc xy lanh Các tín hiệu cảm biến đo đạc (vị trí x1 áp suất p1, p2) dạng tín hiệu tương tự analog, để đưa tín hiệu vào máy tính ta cần sử dụng biến đổi từ tín hiệu tương tự analog sang tín hiệu số digital 12 bit (A/D) Trong hệ thống thực nghiệm, cảm biến vị trí sử dụng để đo vị trí pít tơng Trong đó, vận tốc gia tốc không đo đạc trực tiếp Vận tốc gia tốc tính tốn dựa giá trị độ dịch chuyển pít tơng Vận tốc tính cách tính gần đạo hàm độ dịch chuyển pít tơng đo theo thời gian gia tốc tính cách tính gần đạo hàm theo thời gian vận tốc tính tốn Nhiễu tín hiệu vận tốc gia tốc lọc lọc acausal băng thơng thấp với tần số 32 Hz Hình 5-2 Hình ảnh, ký hiệu hình học, thơng số đặc tính van tỉ lệ lưu lượng điện – khí nén VEF3121-1-02 [41] Tồn thuật tốn tính tốn máy tính, sau máy tính xuất tín hiệu tín hiệu điều khiển, ta phải sử dụng biến đổi từ tín hiệu số máy tính sang tín hiệu tương tự 12 bit (D/A) cho khuyếch đại công suất van tỉ lệ Dữ 40 liệu thực nghiệm, tức áp suất p1 p2 vị trí pít tơng x ghi nhận vào máy tính với khoảng đo Ts = 0.00135 s Mỗi thí nghiệm tiến hành ba lần để kiểm tra độ lặp lại kết thí nghiệm Hình 5-2 Hình 5-3 hình ảnh, ký hiệu, đặc tính sơ đồ nguyên lý hoạt động van tỉ lệ lưu lượng VEF 3121-102 hãng SMC Khi điện áp cấp vào từ 0-0.5 (A), cửa A (cửa nối với cấu chấp hành) kết nối với cửa R (cửa xả khí ); điện áp cấp vào từ 0.5-1 (A), cửa P (từ nguồn cấp) kết nối với cửa A Bộ khuếch đại cơng suất van tỉ lệ điện - khí nén VEA 250 có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu điện áp đầu vào từ đến V sang tín hiệu cường độ dòng điện tương ứng từ đến A Thông số kỹ thuật khuyếch đại công suất van tỉ lệ thể Hình 5-4 Hình 5-3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động van tỉ lệ VEF3121-02 [41] Từ nguyên lý hoạt động van tỉ lệ điện – khí nén, ta có điều kiện hoạt động xy lanh theo điện áp điều khiển van u1 u2 sau: ¾ Hành trình pít tơng chuyển động cần: 2.5 < u1 ≤ V ≤ u2 < 2.5 V, van cấp khí vào khoang xy lanh bên trái van xả khí từ khoang bên phải xy lanh, xy lanh thực hành trình chuyển động cần (pít tơng dịch chuyển từ trái sang phải); ¾ Hành trình pít tơng chuyển động thu cần: ≤ u1 < 2.5 V 2.5 < u2 ≤ V, van xả khí từ khoang xy lanh bên trái, van cấp khí vào khoang xy lanh bên phải, xy lanh thực hành trình thu cần (pít tơng dịch chuyển từ phải qua trái); ¾ Pít tơng đứng n: u1 = u2 = 2.5 V, van van đóng, khơng khí không cấp vào khoang xy lanh hay xả từ khoang xy lanh Để kết hợp hai van cho điều khiển vị trí pít tơng xy lanh theo luật điều khiển u xây dựng CHƯƠNG 3, ta có quan hệ điện áp cấp vào hai van tỉ lệ có dạng: u1 2.5  u u2 2.5  u (5-1) 41 Khi ta có, ta có điều kiện hoạt động xy lanh theo luật điều khiển u sau: ¾ Khi u > : khí nén cấp vào khoang khơng cần, đồng thời xả khí khoang có cần ¾ Khi u < : Khí nén cấp vào khoang có cần, đồng thời xả khí khoang khơng cần ¾ Với u = 0, hai van khí đóng khí khơng cấp vào hay xả từ buồng xy lanh (trường hợp dừng xy lanh) Hình 5-4 Các thơng số Bộ khuếch đại tín hiệu van tỉ lệ mã VEA250 [42] Nguồn cung cấp khí nén gồm có: máy nén khí xử lý khí nén Bộ xử lý khí nén có tác dụng lại bỏ nước khơng khí, cung cấp dầu vào khí nén dạng sương để bơi trơn cho cấu chấp hành đồng thời, xử lý khí cịn điều chỉnh áp suất theo nhu cầu sử dụng thông qua van giảm áp có điều chỉnh Thơng số kỹ thuật phần tử hệ thống thực nghiệm liệt kê chi tiết Bảng 5-1 Bảng 5-1 Các phần tử hệ hệ thống thí nghiệm Tên thiết bị Mã hiệu Máy nén khí PK 1090A Bộ xử lý khí GC 600-20 Xy lanh khí nén Thơng số Áp suất lớn nhất: 10 bar Lưu lượng: 185 l/min Áp suất lớn nhất: 10 bar Lưu lượng lớn nhất: 1000 l/min Kích thước lọc: 40 μm Đường kính pít tơng: CM2L25-300 0.025m Đường kính cần: 0.01m Nhà sản xuất PUMA AIRTAC SMC 42 Hành trình: 0.3m Áp suất lớn nhất: 10 bar Lưu lượng lớn nhất: 720 l/min Van tỉ lệ lưu lượng VEF3121-102 Amplifier van VEA 250 Cảm biến vị trí LWH0300 Cảm biến áp suất PSE 540 Dải đo: bar đến 10 bar Sai số: % F.S Bộ ADC/DAC USB4711 Độ phân giải: 12 bit Số đầu vào số: 16 Số đầu tương tự: Máy tính Dell Vostro 260 Dòng điện điều khiển: A to A Điện áp vào: VDC đến VDC Dòng điện ra: A to A Sai số: ± % F.S Dải đo: m đến 0.3 m Sai số: 0.4 % F.S CPU: Intel Core i3-2120 3.3 GHz SMC SMC NOVOTECHNIK SMC ADVANTECH DELL Memory: 8GB RAM Sau lựa chọn xong phần tử xong ta tiến hành lắp đặt hệ thống theo catalog hãng Hình 5-5 Hình 5-5 Hệ thống thí nghiệm 43 5.2 Điều kiện thí nghiệm chương trình điều khiển Bộ ADC/DAC hãng Advatech có hỗ trợ số phần mềm lập trình Visual Basic, Visual C++… nói mục Do để giao tiếp ADC/ DAC với máy tính ta sử dụng phần mềm Microsoft Visual C++ Thuật toán điều khiển điều khiển lập trình ngơn ngữ C++ máy vi tính Hình 5-6 (chương trình điều khiển ví dụ phần liệu thực nghiệm điều khiển trình bày phần Phụ lục A) Qui trình thực nghiệm để kiểm chứng điều khiển trình bày sơ đồ Hình 5-7 Hình 5-6 Chương trình Microsoft Visual C++ Từ chương trình điều khiển, ta nhập giá trị đầu vị trí vào mong muốn pít tơng dạng bước hình sin Sau ta chạy chương trình với khoảng thời gian định Trong lần chạy thực nghiệm, hệ thống đo thông số x1, p1 p2 Số liệu x1, p1 p2 đo chuyển thành tín hiệu điện tương tự truyền đến chuyển đổi tương tương tự sang số (A/D) Tại chuyển đổi A/D, tín hiệu x1, p1 p2 chuyển thành tín hiệu số máy vi tính thu thập, xử lý Chương trình điều khiển tự động tính tốn sai số e, tín hiệu u, u1 u2 theo thuật tốn xây dựng phần 3.2 Tiếp theo, máy vi tính xuất tín hiệu u1 u2 đến van tỉ lệ thông qua chuyển đổi số sang tương tự (D/A) khuếch đại van Sau đó, khuyếch đại van tỉ lệ chuyển đổi khuếch đại tín hiệu điện áp thành cường độ dòng điện điều khiển van tỉ lệ điện – khí nén Song song với việc xuất tín hiệu van, chương trình điều khiển tự động lưu liệu vị trí mong muốn x1d, vị trí thực tế x1, sai số e, tín hiệu điều khiển u1, u2 file excel Các liệu sử dụng để phân tích, đánh giá kết nghiên cứu điều khiển 44 Hình 5-7 Qui trình thực nghiệm để kiểm chứng điều khiển vị trí pít tơng xylanh khí nén 5.3 Kết thảo luận Trong phần ta kết thí nghiệm điều khiển trượt MSSC điều khiển dề xuất MSSC+bù ma sát Tương tự nghiên cứu mô phỏng, đầu vào vị trí mong muốn dạng bước với vị trí ban đầu khác đầu vào vị trí mong muốn dạng hình sin với biên độ, tần số khác sử dụng Các điều kiện hoạt động khác hệ thống áp suất nguồn khí tải khối lượng khảo sát để đánhgiá chất lượng điều khiển đề xuất Thêm vào đó, kết điều khiển điều khiển đề xuất so sánh với kết điều khiển điều khiển đa mặt trượt với khơng có bù ma sát (MSSC) điều kiện hoạt động tương tự với kết điều khiển điều khiển phi tuyến khác Các giá trị thông số điều khiển thơng số mơ hình ma sát sử dụng thực nghiệm tương tự với thông số mơ Kết tín hiệu điều khiển dạng bước Hình 5-8 Hình 5-9 trình bày kết thực nghiệm điều khiển trượt (đường đứt xanh) điều khiển đề xuất (nét liền đỏ) với tín hiệu vị trí pít tơng mong muốn xd 0.2 m ( nét đứt đen) Kết thí nghiệm thực điều kiện áp suất nguồn khí ps đổi M bar khối lượng tải ban đầu giữ khơng 0.5 kg Vị trí ban đầu pít tơng đặt vị trí m 45