(Luận án tiến sĩ) động lực học và điều khiển tay máy có khâu đàn hồi chuyển động tuần hoàn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đinh Công Đạt ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY CÓ KHÂU ĐÀN HỒI CHUYỂN ĐỘNG TUẦN HOÀN LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC Hà Nội – 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Đinh Công Đạt ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY CÓ KHÂU ĐÀN HỒI CHUYỂN ĐỘNG TUẦN HOÀN Ngành: Cơ học Mã số: 9440109 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TSKH Nguyễn Văn Khang PGS TS Nguyễn Quang Hồng Hà Nội – 2023 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình tơi nghiên cứu, hướng dẫn tập thể hướng dẫn: GS TSKH Nguyễn Văn Khang PGS.TS Nguyễn Quang Hoàng Các tài liệu sử dụng luận án có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Kết nghiên cứu công bố luận án trung thực chưa công bố tác giả khác Hà Nội, ngày 19 tháng 10 năm 2023 TM Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh GS TSKH Nguyễn Văn Khang Đinh Cơng Đạt i LỜI CẢM ƠN Để hồn thành đề tài luận án tiến sĩ cách hoàn chỉnh, bên cạnh nỗ lực cố gắng thân cịn có hướng dẫn nhiệt tình tập thể hướng dẫn, động viên ủng hộ gia đình bạn bè suốt thời gian học tập nghiên cứu thực luận án Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS TSKH Nguyễn Văn Khang PGS TS Nguyễn Quang Hoàng người hết lòng giúp đỡ tạo điều kiện tốt cho tơi hồn thành luận án Xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn đến tồn thể q thầy Nhóm chun mơn Cơ học ứng dụng, Trường Cơ khí, Đại học Bách khoa Hà Nội tận tình truyền đạt kiến thức quý báu tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập nghiên cứu hoàn thành luận án Xin chân thành cảm ơn Bộ môn Cơ lý thuyết, Khoa Khoa học bản, Trường Đại học Mỏ - Địa chất không ngừng hỗ trợ tạo điều kiện tốt cho suốt thời gian nghiên cứu thực luận án Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, anh chị bạn đồng nghiệp hỗ trợ cho nhiều suốt q trình học tập, nghiên cứu, khơng có động viên hỗ trợ chắn luận án khơng hồn thiện Hà Nội, ngày 19 tháng 10 năm 2023 Nghiên cứu sinh Đinh Công Đạt ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU .6 Sự cần thiết đề tài nghiên cứu Mục đích nghiên cứu đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu .8 Các phương pháp nghiên cứu .8 Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tế đề tài Bố cục luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 1.1 Mơ hình hóa yếu tố đàn hồi tay máy 10 1.2 Tình hình nghiên cứu giới 10 1.2.1 Mơ hình hóa phần tử khâu đàn hồi 11 1.2.2 Tay máy khâu đàn hồi .11 1.2.3 Tay máy hai khâu nhiều khâu đàn hồi 12 1.2.4 Động lực học ngược tay máy có khâu đàn hồi 12 1.2.5 Điều khiển tay máy có khâu đàn hồi .13 1.3 Tình hình nghiên cứu nước 13 1.4 Xác định vấn đề nghiên cứu luận án 14 1.5 Cơ sở lý thuyết .14 1.5.1 Phương pháp hệ quy chiếu đồng hành 14 1.5.2 Khai triển Taylor theo biến véc tơ 18 1.5.3 Ổn định hệ phương trình vi phân tuyến tính hệ số tuần hoàn 25 CHƯƠNG PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA TAY MÁY ĐÀN HỒI .30 2.1 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động tay máy có khâu đàn hồi 30 2.1.1 Phương trình chuyển động tay máy khâu đàn hồi 30 2.1.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động tay máy hai khâu đàn hồi T-R 36 2.1.3 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động tay máy hai khâu đàn hồi R-R 41 2.2 Tuyến tính hóa quanh chuyển động phương trình chuyển động tay máy có khâu đàn hồi 51 2.2.1 Tuyến tính hóa sử dụng khai triển Taylor hàm véc tơ theo biến véc tơ 51 2.2.2 Tuyến tính hóa sử dụng khai triển Taylor hàm ma trận theo biến véc tơ 52 2.2.3 Tuyến tính hóa phương trình chuyển động tay máy khâu đàn hồi .53 2.2.4 Tuyến tính hóa phương trình vi phân chuyển động tay máy T-R có khâu đàn hồi 56 2.3.5 Tuyến tính hóa hệ phương trình vi phân chuyển động tay máy R-R có khâu đàn hồi quanh chuyển động 61 iii CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ĐỘNG LỰC VÀ TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC NGƯỢC TAY MÁY CÓ KHÂU ĐÀN HỒI 67 3.1 Điều khiển ổn định động lực tay máy có khâu đàn hồi .67 3.1.1 Thiết lập tốn ổn định động lực tay máy có khâu đàn hồi .67 3.1.2 Xác định tham số ổn định hệ phương trình vi phân tuyến tính hệ số tuần hồn dựa phương pháp Taguchi 68 3.1.3 Điều khiển ổn định động lực tay máy khâu đàn hồi 71 3.1.4 Điều khiển ổn định động lực tay máy hai khâu T-R đàn hồi 79 3.1.5 Điều khiển ổn định động lực tay máy hai khâu R-R đàn hồi 86 3.2 Tính tốn dao động tuần hồn tay máy tuần hồn có khâu đàn hồi .93 3.2.1 Tính tốn nghiệm tuần hồn hệ phương trình vi phân tuyến tính hệ số tuần hồn phương pháp số 94 3.2.2 Dao động tuần hoàn tay máy khâu đàn hồi 97 3.2.3 Dao động tuần hoàn tay máy hai khâu T-R có khâu đàn hồi 98 3.2.4 Dao động tuần hoàn tay hai khâu R-R có khâu đàn hồi 99 3.3 Tính tốn gần động lực học ngược tay máy tuần hồn có khâu đàn hồi .100 3.3.1 Xác định gần chuyển động khâu thao tác tay máy tuần hồn có khâu đàn hồi .100 3.3.2 Xác định gần mô men/lực phát động khâu dẫn tay máy tuần hồn có khâu đàn hồi 104 CHƯƠNG KẾT LUẬN 109 4.1 Kết luận chung 109 4.2 Kiến nghị phương hướng phát triển .110 TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 119 iv • i • i • j DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Giá trị riêng phương trình đặc trưng R • τi • • e τ i Các số mũ Floquet Các nhân tử Floquet τ Véc tơ mô men khâu thứ i mơ hình hệ rắn • • Véc tơ mơ men khâu thứ i mơ hình hệ đàn hồi Mô men điều khiển thêm vào Khối lượng riêng khâu Thế hệ Diện tích mặt cắt ngang khâu Ma trận Coriolis ly tâm cản suy rộng • • A • et • • • • • • • • • • E • Kq • KP; KD Mô dun đàn hồi Véc tơ lực tác dụng lên mơ hình rắn Véc tơ lực tác dụng lên mơ hình đàn hồi Lực cản Sai lệch lực tác dụng mơ hình rắn đàn hồi gia tốc trọng trường Bước thời gian Hàm mục tiêu Mô men qn tính mặt cắt ngang khâu Mơ men qn tính động khâu thứ i • li Ma trận độ cứng suy rộng • Mq Ma trận tham số điều khiển • • Md mi Chiều dài khâu thứ i • • • pi ,qk q • qi C q, q R F e F Sai số Fd F g h H I J dc ;Ji q, q a e • qi • qi • ri d Ma trận khối lượng suy rộng Mô men cản Khối lượng khâu thứ i Các tọa độ dạng riêng Véc tơ tọa độ suy rộng Véc tơ vận tốc gia tốc suy rộng Tọa độ suy rộng khâu thứ i hệ rắn Tọa độ suy rộng khâu thứ i hệ đàn hồi Giá trị mong muốn tọa độ khâu thứ i Véc tơ định vị điểm khâu thứ i • • • • r Bán kính đĩa R-RTay máy hai khâu chuyển động quay - quay • T, Ti Động hệ động khâu thứ i T-RTay máy hai khâu chuyển động tịnh tiến - quay • t Thời gian • XE ;YE Tọa độ điểm thao tác w(x , t) Chuyển vị ngang DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Các đặc trưng chất lượng theo định nghĩa Taguchi .69 Bảng 3.2 Bảng thông số tay máy khâu đàn hồi .73 Bảng 3.3 Modul nhân tử Floquet số dải vận tốc thường gặp 73 Bảng 3.4 Các mức tham số điều khiển .75 Bảng 3.5 Bảng giá trị tín hiệu/nhiễu SRN dựa bảng trực giao L9 75 Bảng 3.6 Tỷ lệ nhiễu/tín hiệu tối ưu 76 Bảng 3.7 Bảng mức tham số điều khiển 76 Bảng 3.8 Bảng tỷ số SNR, kỳ vọng phương sai SNR 76 Bảng 3.9 Tham số điều khiển tối ưu tay máy khâu 78 Bảng 3.10 Tham số điều khiển modul nhân tử Floquet 78 Bảng 3.11 Bảng thông số tay máy hai khâu T-R đàn hồi .80 Bảng 3.12 Modul nhân tử Floquet số dải vận tốc thường gặp 81 Bảng 3.13 Các mức tham số điều khiển tay máy hai khâu T-R đàn hồi .82 Bảng 3.14 Kết quả SNR tay máy hai khâu T-R sử dụng bảng trực giao L9 .83 Bảng 3.15 Giá trị tối ưu tỉ số nhiễu SNR 84 Bảng 3.16 Mức tham số điều khiển tay máy T-R .84 Bảng 3.17 Bảng giá trị SNR, kỳ vọng phương sai SNR 84 Bảng 3.18 Bảng thông số điều khiển tối ưu tay máy T-R 85 Bảng 3.19 Tham số điều khiển số trường hợp .85 Bảng 3.20 Bảng thông số tay máy hai khâu R-R đàn hồi .87 Bảng 3.21 Modul nhân tử Floquet số dải vận tốc thường gặp 88 Bảng 3.22 Các mức tham số điều khiển tay máy hai khâu R-R đàn hồi .90 Bảng 3.23 Kết quả SNR tay máy hai khâu R-R sử dụng bảng trực giao L9 .90 Bảng 3.24 Giá trị tối ưu tỉ số nhiễu SNR 91 Bảng 3.25 Mức tham số điều khiển tay máy R-R .92 Bảng 3.26 Bảng giá trị SNR, kỳ vọng phương sai SNR 92 Bảng 3.27 Bảng thông số điều khiển tối ưu tay máy R-R 92 Bảng 3.28 Tham số điều khiển modul max nhân tử Floquet 92 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 0.1.Một số hình ảnh tay có khâu máy to, nặng (mơ hình tay máy rắn) Hình 0.2 Một số hình ảnh tay máy có khâu dài mảnh (mơ hình tay máy đàn hồi) 15 16 Hình 1.1 Hệ quy chiếu đồng hành Hình 1.2 Hệ quy chiếu đồng hành tay máy đàn hồi 30 36 42 54 57 61 Hình 2.1 Tay máy khâu đàn hồi Hình 2.2 Tay máy hai khâu T-R đàn hồi Hình 2.3 Tay máy hai khâu R-R đàn hồi Hình 2.4 Mô hình tay máy khâu rắn đàn hồi tương ứng Hình 2.5 Mô hình tay máy hai khâu T-R rắn đàn hồi tương ứng Hình 2.6 Mô hình tay máy hai khâu R-R rắn đàn hồi tương ứng ( rad) Hình 3.3 Nghiệm với 72 74 ( rad) 74 Hình 3.4 Nghiệm với ( rad) 74 ( rad) Hình 3.6 Sơ đồ phân mức tham số điều khiển tay máy khâu Hình 3.7 Dao dộng tay máy khâu giai đoạn chuyển tiếp với 74 76 (rad) 78 Hình 3.8 Dao dộng tay máy khâu giai đoạn chuyển tiếp với (rad) 79 Hình 3.9 Dao dộng tay máy khâu giai đoạn chuyển tiếp với (rad) 79 (rad) 79 79 81 Hình 3.1 Tay máy khâu đàn hồi Hình 3.2 Nghiệm với Hình 3.5 Nghiệm với Hình 3.10 Dao dộng tay máy khâu giai đoạn chuyển tiếp với Hình 3.11 Tay máy hay khâu T-R đàn hồi Hình 3.12 Nghiệm với ( rad) Hình 3.13 Nghiệm với ( rad) 81 Hình 3.14 Nghiệm với ( rad) 82 Hình 3.15 Nghiệm với ( rad) 82 ( rad) 82 Hình 3.17 Sơ đồ phân mức tham số điều khiển tay máy hai khâu T-R đàn hồi 84 Hình 3.18 Dao dộng tay máy T-R giai đoạn chuyển tiếp với (rad) 85 Hình 3.16 Nghiệm với Hình 3.19 Dao dộng tay máy T-R giai đoạn chuyển tiếp với (rad) 85 Hình 3.20 Dao dộng tay máy T-R giai đoạn chuyển tiếp với (rad) 86 Hình 3.21 Dao dộng tay máy T-R giai đoạn chuyển tiếp với (rad) 86 (rad) 86 Hình 3.23 Tay máy hai khâu R-R đàn hồi 86 ( rad) Hình 3.24 Nghiệm với 89 ( rad) Hình 3.25 Nghiệm với 89 Hình 3.22 Dao dộng tay máy T-R giai đoạn chuyển tiếp với Hình 3.26 Nghiệm với ( rad) 89 Hình 3.27 Nghiệm với 10 ( rad) 12 ( rad) 89 Hình 3.28 Nghiệm với 89