Nghiên cứu nâng cao khả năng điều khiển chính xác vị trí cơ cấu chấp hành thủy khí sử dụng van điện on off

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Nghiên cứu nâng cao khả điều khiển xác vị trí cấu chấp hành thủy khí sử dụng van điện on-off TRẦN ĐÌNH SON Ngành: Kỹ thuật khí động lực Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Trần Xuân Bộ Khoa: Cơ khí Động lực HÀ NỘI, 03/2023 ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Nghiên cứu nâng cao khả điều khiển xác vị trí cấu chấp hành thủy khí sử dụng van điện on-off TRẦN ĐÌNH SON son.trandinh.hust@gmail.com Ngành: Kỹ thuật khí động lực Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Trần Xuân Bộ Chữ ký GVHD Khoa: Cơ khí Động lực ii HÀ NỘI, 03/2023 iii CỘNG HOÀ XÃ 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: Trần Đình Son Đề tài luận văn: Nghiên cứu nâng cao khả điều khiển xác vị trí cấu chấp hành thủy khí sử dụng van điện on-off Ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số học viên: 20211329M 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 1: Chỉnh sửa lỗi trình bày, lỗi đánh máy Nội dung 2: 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 Giáo viên hướng dẫn tháng năm 2023 Tác giả luận văn PGS TS Trần Xuân Bộ Trần Đình Son CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS Trần Khánh Dương i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn công trình nghiên cứu thân tơi hướng dẫn thầy PGS TS Trần Xuân Bộ Các kết nêu luận văn trung thực, chép tồn văn cơng trình khác NGƯỜI THỰC HIỆN TRẦN ĐÌNH SON ii ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Thông tin học viên Họ tên: TRẦN ĐÌNH SON Điện thoại: +84.96.829.6846 Email: son.trandinh.hust@gmail.com Lớp: 21ACKĐL-KH04 Mã số học viên: 20211329M Tên đề tài Nghiên cứu nâng cao khả điều khiển xác vị trí cấu chấp hành thủy khí sử dụng van điện on-off Mục tiêu luận văn Nghiên cứu đề xuất phương pháp điều khiển sử dụng van điện khí nén dạng on-off để nâng cao chất lượng điều khiển vị trí xy lanh khí nén Các nhiệm vụ cụ thể luận văn - Nghiên cứu tổng quan phương pháp điều khiển xácvị trí xy lanh khí nén dựa cơng trình khoa học cơng bố Đề xuất hệ thống truyền động khí nén điều khiển vị trí xy lanh khí nén sử dụng van điện khí nén dạng on-off Thiết kế điều điều khiển phù hợp có khả nâng cao chất lượng điều khiển vị trí xy lanh khí nén Xây dựng chương trình mơ phần mềm máy tính để đánh giá điều khiển đề xuất Xây dựng hệ thống thực nghiệm để đánh giá điều khiển đề xuất Viết báo cáo khoa học Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên PGS TS Trần Xuân Bộ iii LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Trần Xuân Bộ, giảng viên Khoa Cơ khí Động lực, trường Cơ khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội, người thầy trực tiếp hướng dẫn tơi hồn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, thầy Khoa Cơ khí Động lực giảng dạy, khơi nguồn tri thức truyền cảm hứng cho năm học vừa qua Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè giúp đỡ ủng hộ tơi suốt q trình học tập làm luận văn TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Các hệ thống truyền động tự động khí nén ứng dụng rộng rãi lĩnh vực cơng nghiệp Các hệ thống có khả cung cấp tỉ lệ công suất-khối lượng lớn, giá thành phù hợp nguồn khí ln có sẵn Tuy nhiên, việc điều khiển xác vị trí cấu chấp hành khí nén thường gặp nhiều khó khăn Thơng thường để điều khiển xác vị trí xy lanh khí nén, van tỉ lệ điện-khí nén thường ưu tiên sử dụng Tuy nhiên, phương án thường có chi phí cao van tỉ lệ điện-khí nén có giá thành cao Một phương án thay rẻ linh động phương án sử dụng van điện-khí nén dạng on-off để điều khiển vị trí xác xy lanh khí nén Chất lượng điều khiển vị trí xy lanh khí nén phụ thuộc nhiều vào mạch khí nén phương pháp điều khiển Trong luận văn này, học viên đề xuất phương pháp điều khiển phù hợp nâng cao chất lượng điều khiển vị trí xy lanh khí nén Để thực mục tiêu này, học viên nghiên cứu hệ thống khí nén với xy lanh sử dụng van điện khí nén dạng on-off Tiếp đến học viên đề xuất phương pháp điều khiển với luật điều khiển van dựa giá trị vị trí mong muốn, khoảng sai lệch vị trị khoảng thời gian xung tín hiệu cấp cho van Cả nghiên cứu mô nghiên cứu thực nghiệm thực để kiểm chứng phương pháp điều khiển đề xuất Kết điều khiển với tín hiệu điều khiển dạng bước dạng hình sin với tải tần số khác đưa Thêm vào đó, kết nghiên cứu phương pháp đề xuất so sánh với kết nghiên cứu phương pháp khác để chứng minh tính hiệu phương pháp điều khiển đề xuất Kết luận văn sở cho ứng dụng điều khiển vị trí cấu chấp hành khí nén ngồi cơng nghiệp sở cho nghiên cứu cao điều khiển cấu chấp hành thủy khí sử dụng van on-off tương lai Người thực iv MỤC LỤC ĐỀ TÀI LUẬN VĂN iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN .iv MỤC LỤC v DANH MỤC HÌNH VẼ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU .ix CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Truyền động khí nén đặc điểm, ứng dụng 1.2 Tổng quan điều khiển xác cấu chấp hành hệ thống TĐKN lí chọn đề tài 1.3 Mục tiêu phạm vi đề tài 1.4 Kết cấu luận văn 1.5 Kết luận Chương CHƯƠNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN VÀ MƠ HÌNH TỐN HỆ THỐNG 2.1 Hệ thống truyền động khí nén sử dụng nghiên cứu 2.1.1 Sơ đồ hệ thống sử dụng nghiên cứu 2.1.2 Nguyên lý hoạt động hệ thống TĐKN 2.2 Xây dựng mơ hình tốn hệ thống TĐKN 2.2.1 Phương trình lưu lượng van điện on-off 2.2.2 Phương trình khí khoang xy lanh 10 2.2.3 Phương trình chuyển động pít tơng 10 2.3 Kết luận Chương 12 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 14 3.1 Bộ điều khiển đề xuất nghiên cứu [10] 14 3.1.1 Thuật toán điều khiển nghiên cứu [10] 14 3.1.2 Kết điều khiển nghiên cứu [10] hạn chế 17 3.2 Bộ điều khiển 19 3.2.1 Cơ sở thiết kế 19 3.2.2 Thuật toán điều khiển 20 3.2.3 Nguyên lý điều khiển 22 3.3 Kết luận Chương 23 v CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ BỘ ĐIỀU KHIỂN BẰNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG 24 4.1 Chương trình điều kiện mơ 24 4.1.1 Các khối mô hệ thống TĐKN 25 4.1.2 Khối mô điều khiển 27 4.2 Kết mô điều khiển thảo luận 28 4.2.1 Kết mơ điều khiển với tín hiệu dạng bước 28 4.2.2 Kết mô điều khiển với tín hiệu dạng hình sin 31 4.3 Kết luận Chương 33 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ BỘ ĐIỀU KHIỂN BẲNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 35 5.1 Xây dựng hệ thống thực nghiệm 35 5.2 Kết thảo luận 37 5.2.1 Kết điều khiển theo tín hiệu điều khiển dạng bước 37 5.2.2 Kết quả, so sánh điều khiển theo tín hiệu dạng hình sin 40 5.3 Kết so sánh với phương pháp điều khiển sử dụng van tỉ lệ 43 5.3.1 Kết quả, so sánh điều khiển theo tín hiệu dạng hình sin với tần số 0.1 Hz……………………………………………………………………………… 43 5.3.2 Kết quả, so sánh điều khiển theo tín hiệu dạng hình sin với tần số 0.5 Hz……………………………………………………………………………… 45 5.4 Kết điều khiển theo tín hiệu dạng hình sin thay đổi tải tần số 48 5.4.1 Kết điều khiển theo tín hiệu dạng hình sin tải thay đổi 48 5.4.2 Kết điều khiển theo tín hiệu dạng hình sin tần số thay đổi 50 5.5 Kết luận Chương 52 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 53 6.1 Kết luận đề tài 53 6.2 Hướng phát triển đề tài 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ 57 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Một số ứng dụng hệ thống truyền động khí nén Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống TĐKN sử dụng cho nghiên cứu Hình 2.2 Mơ hình biến dạng sợi liên kết hai bề mặt tiếp xúc 11 Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống TĐKN sơ đồ hệ thống điều khiển nghiên cứu [10] 14 Hình 3.2 Sơ đồ điều khiển điều khiển [10] 15 Hình 3.3 Kết điều khiển sử dụng điều khiển [10], với Xđ=50 mm 18 Hình 3.4 Kết điều khiển sử dụng điều khiển [10], với Xđ=280 mm 18 Hình 3.5 Kết điều khiển sử dụng điều khiển [10], với tín hiệu hình sin 19 Hình 4.1 Sơ đồ khối mơ đánh giá điều khiển hệ thống TĐKN 24 Hình 4.2 Khối mơ xy lanh 25 Hình 4.3 Khối mơ van khí nén on-off cửa vị trí (van 2) 26 Hình 4.4 Khối mô điều khiển 27 Hình 4.5 Khối mơ trường hợp Xđ