Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu phát triển hệ thống HIL (Hardware-in the-loop) thủy lực trong mô phỏng chuyển động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS LƯU THANH TÙNG Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS LÊ THỂ TRUYỀN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 15 tháng 01 năm 2022

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 PGS.TS TRẦN ANH SƠN – Chủ tịch hội đồng.2 TS BÀNH QUỐC NGUYÊN – Thư ký.

3 PGS.TS LƯU THANH TÙNG – Phản biện 1.4 PGS.TS LÊ THỂ TRUYỀN – Phản biện 2.5 PGS.TS PHẠM SƠN MINH – Ủy viên.

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

PGS.TS TRẦN ANH SƠN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: ĐỒNG HUỲNH NGHĨA MSHV: 1870045

Ngày, tháng, năm sinh: 15/03/1995 Nơi sinh: Cam Ranh, Khánh Hòa Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Mã số: 8520103

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu tổng quan về HIL dùng hệ thống truyền động thủy lực

- Phân tích động học thuận và nghịch của hệ thống HIL kết cấu song song 6 bậc tự do

- Mô hình hệ thống HIL kết cấu song song 6 bậc tự do

- Thiết kế hệ thống điều khiển mờ trượt thích nghi cho cơ cấu

- Mô phỏng và đánh giá kết quả mô phỏng hệ thống HIL kết cấu song song 6 bậc tự do với hệ thống điều khiển mờ trượt thích nghi

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 22/02/2021

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/12/2021 IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HỒ TRIẾT HƯNG

Tp HCM, ngày … tháng … năm 202

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Hồ Triết Hưng người đã tận tâm hướng dẫn và tạo động lực cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn Cảm ơn các thầy cô khoa Cơ Khí nói riêng và các thầy cô trường đại học Bách Khoa – ĐHQG Tp Hồ Chí Minh nói chung đã luôn vui vẻ chỉ dẫn và tạo những điều kiện thuận lợi nhất để tôi có thể hoàn thành đề tài luận văn của mình

Cảm ơn gia đình và bạn bè luôn là chỗ dựa vững chắc nhất và là động lực để tôi phấn đấu mỗi ngày

Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng không thể tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình trình bày luận văn, rất mong nhận được sự góp ý chân thành từ quý thầy cô và các đồng nghiệp Trân trọng cảm ơn!

TP.HCM, ngày 12 tháng 12 năm 2021 Học viên thực hiện

Đồng Huỳnh Nghĩa

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Mô phỏng HIL (Hardware – In the – Loop) là một công nghệ mới đầy tiềm năng Hệ thống HIL giúp cung cấp đến nhà thiết kế một phỏng đoán trực quan về khả năng đáp ứng của sản phẩm cũng như những ảnh hưởng bất lợi của môi trường trong quá trình vận hành, từ đó đưa ra những sửa chữa, nâng cấp kịp thời

Nghiên cứu này sẽ thực hiện tìm hiểu tổng quan về hệ thống HIL thủy lực, đồng thời đề xuất ứng dụng bộ truyền động điện thủy lực (EHA – Electro-Hydrostatic Actuator) giúp tiết kiệm năng lượng cho hệ thống Song song với đó, nghiên cứu cũng thực hiện đánh giá và thiết kế bộ điều khiển mờ trượt thích nghi để đảm bảo độ chính xác của hệ thống khi vận hành

ABSTRACT

HIL (Hardware – In the – Loop) is a promisingly new technology HIL provides the designers with practical predictions about future product performance as well as potentially unfavourable effects from operating environment So that, the designer can take troubleshooting and improvement timely

This study will perform a general research about hydraulic HIL system as well as propose an EHA (Electro-Hydrostatic Actuator) application to help the system save its energy In parallel, the study also evaluates and designs the adaptive fuzzy sliding mode controller for HIL system to ensure system accuracy in opertation

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ

Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu phát triển hệ thống HIL (Hardware - In the - Loop) thủy lực trong mô phỏng chuyển động” là công trình nghiên cứu của tôi Các nội dung nghiên cứu và kết quả được trình bày là hoàn toàn trung thực Các tài liệu tham khảo được trích dẫn rõ ràng Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu những điều trên là sai sự thật

TP.HCM, ngày 12 tháng 12 năm 2021 Học viên thực hiện

Đồng Huỳnh Nghĩa

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CẢM ƠN iii

1.1.1 Hệ thống Hardware – In the – Loop (HIL) thủy lực 1

1.1.2 Thuật toán điều khiển mờ trượt thích nghi (AFSMC - Adaptive Fuzzy Sliding Mode Control) 2

1.1.3 Một số hệ thống HIL mô phỏng chuyển động nổi bật hiện nay 2

1.2 Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu 5

1.2.1 Đối tượng nghiên cứu 5

1.2.2 Mục tiêu nghiên cứu 6

1.3 Phạm vi nghiên cứu 6

Chương 2 KẾT CẤU CƠ KHÍ CỦA HỆ THỐNG HIL THỦY LỰC 7

2.1 Khái quát kết cấu cơ khí của hệ thống 7

Chương 4 MÔ HÌNH HÓA CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA HỆ THỐNG HIL

THỦY LỰC 19

4.1 Mô hình hóa bơm / động cơ thủy lực 19

4.1.1 Chế độ bơm 19

4.1.2 Chế độ động cơ 20

4.2 Mô hình hóa bộ truyền động chung 20

Chương 5 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 23

5.1 Thiết kế bộ điều khiển cho 1 xy lanh 23

5.1.1 Cơ sở lý thuyết 23

5.1.2 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển cho 1 xy lanh 31

5.2 Thiết kế bộ điều khiển cho 6 xy lanh 37

5.2.1 Cơ sở lý thuyết 37

5.2.2 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển cho 6 xy lanh 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

PHỤ LỤC 50

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Mô hình HIL của hãng Toyota 3

Hình 1.2 Mô hình HIL VR5 của hãng Exsim 4

Hình 1.3 Mô hình HIL mô phỏng chuyển động của hãng Olsen 5

Hình 2.1 Khái quát kết cấu cơ khí của mô hình HIL hexapod 7

Hình 2.2 Động cơ servo AC và cấu tạo cơ bản của nó 8

Hình 2.3 Cấu trúc của một xy lanh thủy lực 9

Hình 2.4 Khớp nối các đăng 10

Hình 2.5 Khớp nối cầu 11

Hình 3.1 Sơ đồ khái quát các chi tiết động học của hệ thống 12

Hình 3.2 Chuyển động tịnh tiến và chuyển động góc của hệ thống 13

Hình 3.3 Sơ đồ khái quát các liên kết của kết cấu hexapod 14

Hình 3.4 Vị trí các khớp nối trên đế cố định (a) và nền tải dịch chuyển (b) 14

Hình 4.1 Sơ đồ chung của cơ cấu truyền động điện thủy lực EHA 21

Hình 5.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ trượt thích nghi [23] 23

Hình 5.2 Các biến ngôn ngữ ngõ vào s 27

Hình 5.3 Các biến ngôn ngữ ngõ ra u 28

Hình 5.4 Mô hình ảo của cơ cấu truyền động điện - thủy lực xây dựng bẳng Amesim 32

Hình 5.5 Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển 33

Hình 5.6 Phản hồi đa bước của hệ thống với bộ điều khiển mờ trượt thích nghi 34

Hình 5.7 Sai số vị trí của hệ thống theo thời gian 34

Hình 5.8 Áp suất theo thời gian tại cổng 1 (p1) và cổng 2 (p2) của xy lanh với bộ điều khiển mờ trượt thích nghi cho phản hồi đa bước 34

Hình 5.9 Giá trị lực tải theo thời gian 35

Hình 5.10 So sánh giữa giá trị vị trí thực tế của tải và tham chiếu 36

Hình 5.11 Sai số giữa vị trí thực tế và tham chiếu 36

Hình 5.12 Trạng thái áp suất của hai cổng xy lanh 36

Hình 5.13 Sự thay đổi của tham số mờ 37Hình 5.14 Quỹ đạo mô phỏng thu được với bộ điều khiển mờ trượt thích nghi 41Hình 5.15 Quỹ đạo mô phỏng thu được theo 3 trục x (surge), y (sway), z (heave) và 3 góc roll, pitch, yaw 42Hình 5.16 Tín hiệu điều khiển đầu vào tại mỗi trục truyền động 44

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 5.1 Thông số thiết lập của EHA 31Bảng 5.2 Giá trị các thông số của bộ truyền động HIL hexapod 40

PS: Positive small PM: Positive medium PB: Positive big

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống Hardware – In the – Loop (HIL) thủy lực và thuật toán điều khiển mờ trượt thích nghi

1.1.1 Hệ thống Hardware – In the – Loop (HIL) thủy lực

Trong thời đại công nghiệp 4.0 hiện nay, số lượng các sản phẩm, công nghệ mới ra đời ngày càng nhanh đòi hỏi công tác kiểm tra, thử nghiệm cũng phải phát triển với trình độ tương ứng Đặc biệt đối với những ngành yêu cầu tính an toàn cao, chi phí sản xuất lớn như hàng không vũ trụ, hàng hải, chế tạo ô tô, giai đoạn mô phỏng thử nghiệm càng trở nên quan trọng Mô phỏng với độ trung thực càng cao càng giúp con người đánh giá chính xác khả năng đáp ứng của thiết kế, sản phẩm trong quá trình vận hành

Tuy nhiên, phần lớn mô phỏng được sử dụng hiện nay là mô phỏng số chỉ chú trọng kiểm nghiệm tính toán lý thuyết ở điều kiện lý tưởng mà không cân nhắc đến các yếu tố nhiễu, các tương tác bất lợi của môi trường vận hành dẫn đến những hỏng hóc nghiêm trọng cho sản phẩm khi chạy thực nghiệm

Để khắc phục hạn chế nói trên, công nghệ mô phỏng Hardware - In the – Loop (HIL) đã được ra đời HIL là phương pháp mô phỏng thời gian thực sử dụng phần cứng để mô phỏng vòng điều khiển Mô phỏng HIL cho thấy đáp ứng của bộ điều khiển trong thời gian thực, với các kích thích ảo thực tế, cung cấp cái nhìn tổng quan về những rủi ro tiềm tàng có thể mắc phải, từ đó giúp nhà thiết kế hoàn thiện, khắc phục sản phẩm trước khi cho vận hành

Phần lớn HIL hiện nay được vận hành bằng năng lượng thủy lực giúp hệ thống có khả năng tải lớn, đáp ứng được nhiều đối tượng mô phỏng khác nhau đi kèm với đó là một kết cấu tinh gọn và linh hoạt Để tối ưu hiệu quả của năng lượng thủy lực trên hệ thống HIL, nhiều giải pháp điều khiển đã được đưa ra Hầu hết các sản phẩm HIL thương mại lựa chọn điều khiển bằng van servo vì kết cấu gọn nhẹ và độ chính xác cao Tuy nhiên trong luận án này, tôi đề xuất một giải pháp điều khiển khác, đó

là hệ thống truyền động điện thủy lực (EHA – Electro-Hydrostatic Actuator) Đặc điểm chính của EHA là khả năng biến đổi tốc độ cao của động cơ điện thành tải lực lớn cho xy lanh Ngoài ra, EHA cũng là một giải pháp hiệu quả để tiết kiệm năng lượng cho hệ thống Năm 2017, Chen và các cộng sự [1] đã thành công trong việc xây dựng một hệ thống tái tạo năng lượng cho cần máy xúc thủy lực sử dụng mạch vòng kín EHA, kết quả là đã cải thiện hiệu suất làm việc của hệ thống từ 60% lên 68,2% Ở thời điểm hiện tại, EHA đang được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi và phát triển thành một sản phẩm thương mại

1.1.2 Thuật toán điều khiển mờ trượt thích nghi (AFSMC - Adaptive Fuzzy Sliding Mode Control)

Tuy mang nhiều điểm ưu việt, EHA lại có các đặc tính phi tuyến và không ổn định [2] Ngoài ra, khó có thể xác định được mô hình động lực học chính xác cho hệ thống này Vậy nên đó sẽ là một thách thức lớn nếu ta muốn áp dụng các thuật toán điều khiển dạng mô hình chính xác cho EHA Nhiều giải pháp thay thế dã được cân nhắc Một trong số chúng là thuật toán điều khiển mờ trượt thích nghi [3] Vốn kết hợp các ưu điểm từ điều khiển chế độ trượt và điều khiển logic mờ, điều khiển mờ trượt thích nghi là một phương pháp điều khiển bền vững cho hệ phi tuyến, giúp hạn chế hiện tượng rung lắc (chattering) của kết cấu cơ khí [4] nhờ vào khả năng mờ hóa các tín hiệu điều khiển đầu vào và quan trọng là không yêu cầu phải nắm được chính xác mô hình toán học của đối tượng được điều khiển, qua đó cho phép tiếp cận thiết kế hệ thống điều khiển một cách trực quan [5]

1.1.3 Một số hệ thống HIL mô phỏng chuyển động nổi bật hiện nay

HIL là một công nghệ mới đầy tiềm năng, đặc biệt thích hợp để ứng dụng trong mảng mô phỏng chuyển động vốn là cốt lõi của nhiều ngành công nghiệp trọng điểm hiện nay như sản xuất ô tô, hàng không vũ trụ, đóng tàu [6]

Các hệ thống HIL dùng trong mô phỏng chuyển động rất đa dạng về chủng loại, kích thước nhưng phổ biến nhất vẫn là mô hình hexapod với chân đế cố định liên kết với một tấm nền dịch chuyển thông qua 6 trục truyền động song song

Một số sản phẩm HIL mô phỏng chuyển động nổi bật trên thị trường hiện nay có thể kể đến như sau:

1.1.3.1 Mô hình HIL của hãng xe Toyota [7]

Hình 1.1 Mô hình HIL của hãng Toyota

Ưu điểm: Hệ thống mô phỏng buồng lái ô tô hình mái vòm có khả năng mô phỏng linh hoạt với tải trọng mô phỏng tối đa lên đến 78 tấn, phạm vi mô phỏng 19x41m

Nhược điểm: Hệ thống cực kì phức tạp, cần diện tích lắp đặt lớn nên khó có thể ứng dụng đại trà, chi phí chế tạo rất tốn kém

1.1.3.2 Mô hình HIL VR5 của hãng Exsim [8]

Hình 1.2 Mô hình HIL VR5 của hãng Exsim

Ưu điểm: Mô hình có kết cấu đơn giản, chi phí sản xuất thấp với cơ chế động cơ bước dẫn động trục vít

Nhược điểm: Hệ thống chỉ gồm 4 trục dẫn động nên bị hạn chế về số chuyển động có thể mô phỏng Cũng vì thế mà kết quả kiểm nghiệm, đánh giá trên mô hình không thể hiện đầy đủ tính khách quan

1.1.3.3 Mô hình HIL của hãng Olsen [9]

Hình 1.3 Mô hình HIL mô phỏng chuyển động của hãng Olsen

Ưu điểm: Mô hình có kết cấu đơn giản, hệ thống 6 trục dẫn động có khả năng mô phỏng linh hoạt hầu hết số chuyển động của vật thể

Nhược điểm: Mô hình sử dụng cơ cấu truyền động vít me động cơ bước nên hiệu suất truyền động chưa cao và sẽ không phù hợp nếu cần ứng dụng mô phỏng cho các vật thể có khối lượng lớn

1.2 Đối tượng và mục tiêu nghiên cứu 1.2.1 Đối tượng nghiên cứu

Từ đánh giá ưu, nhược điểm của các sản phẩm HIL đã giới thiệu ở trên, tôi nhận thấy mô hình HIL với kết cấu 6 trục truyền động song song (hexapod) là cấu trúc tối ưu nhất giúp thể hiện linh hoạt các khả năng chuyển động của vật thể Bên cạnh đó việc kết hợp với bộ truyền thủy lực đảm bảo cho hệ thống có khả năng thực hiện mô phỏng với tải lớn, qua đó có thể ứng dụng linh hoạt lên nhiều đôi tượng mô phỏng khác nhau Vậy nên luận án sẽ tập trung vào nghiên cứu đối tượng là hệ thống HIL thủy lực kết cấu song song hexapod

1.2.2 Mục tiêu nghiên cứu

Tìm hiểu tổng quan về HIL dùng hệ thống truyền động thủy lực

Phân tích động học thuận và nghịch của hệ thống HIL kết cấu song song 6 bậc tự do

Mô hình hệ thống HIL kết cấu song song 6 bậc tự do

Thiết kế hệ thống điều khiển mờ trượt thích nghi cho cơ cấu

Mô phỏng và đánh giá kết quả mô phỏng hệ thống HIL kết cấu song song 6 bậc tự do với hệ thống điều khiển mờ trượt thích nghi

1.3 Phạm vi nghiên cứu

Luận án sẽ tập trung vào mô phỏng động lực học và bộ điều khiển của hệ thống HIL kết cấu song song 6 bậc tự do

Chương 2 KẾT CẤU CƠ KHÍ CỦA HỆ THỐNG HIL THỦY LỰC

2.1 Khái quát kết cấu cơ khí của hệ thống

Hình 2.1 Khái quát kết cấu cơ khí của mô hình HIL hexapod

Kết cấu cơ khí của mô hình HIL hexapod thủy lực gồm phần đế cố định và phần nền tải di chuyển nhờ vào sự thay đổi độ dài của 6 xy lanh truyền động gắn song song được điều khiển bởi một bơm servo hai chiều thông qua mạch thủy lực vòng kín EHA

2.2 Các thành phần cơ khí chính của hệ thống 2.2.1 Bơm / Động cơ servo

Bơm servo ở đây là loại bơm sử dụng động cơ servo AC [10] Hệ thống bơm servo điều khiển vòng kín có khả năng đáp ứng nhanh về lưu lượng và áp suất với độ chính xác rất cao Động cơ servo AC của bơm cũng được cấu tạo từ hai thành phần cơ bản của một động cơ điển hình:

Stator: phần quay sử dụng những nam châm vĩnh cửu có lực hút rất lớn bọc quanh trục

Rotor: phần tĩnh là tập hợp những vòng dây được gắn cố định trên lớp vỏ Điểm khác biệt so với động cơ truyền thống là động cơ servo AC có thêm một linh kiện quan trọng được gọi là encoder – bộ mã hóa Thành phần này đảm nhận nhiệm vụ ghi nhận - chuyển đổi tín hiệu quay của rotor thành các dạng tín hiệu khác phục vụ cho việc giám sát và điều khiển

Hình 2.2 Động cơ servo AC và cấu tạo cơ bản của nó Nguyên lý hoạt động của động cơ servo

Tương tự như động cơ điện, khi có dòng điện cấp vào sẽ sinh ra hiện tượng cảm ứng điện từ do tác động của từ trường bên trong các vòng dây và của nam châm vĩnh cửu Từ đó tạo ra lực điện từ làm quay rotor

Tốc độ, vị trí, trạng thái hoạt động trước và trong quá trình hoạt động được Encoder ghi nhận, xử lý và gửi đến mạch điều khiển Bộ phận này có chức năng thiết lập phương thức điều khiển, điều chỉnh những sai lệch bằng cách thay đổi những yếu tố đã để cập ở trên để đảm bảo động cơ servo hoạt động chính xác theo mong muốn của người sử dụng

Ưu và nhược điểm của động cơ servo AC

Ưu điểm: độ chính xác rất cao, vận hành êm ái nhờ quán tính thấp, chịu được dòng điện lớn nên thích hợp ứng dụng trong công nghiệp

Nhược điểm: Tuy có nhiều điểm ưu việt, động cơ Servo AC lại yêu cầu các bước điều khiển khá phức tạp

2.2.2 Xy lanh thủy lực

Xy lanh thủy lực [11] là thiết bị chấp hành quan trọng trong hệ thống thủy lực Cụ thể, thiết bị này được sử dụng để chuyển đổi nguồn năng lượng của dầu, chất lỏng thủy lực thành động năng để tạo ra tải lực ở đầu cần, tác động nhằm thực hiện những nhiệm vụ như: kéo, đẩy, ép, nén, nghiền,

Các xy lanh thủy lực được sử dụng trong hệ thống là loại xy lanh hai chiều bao gồm các bộ phận chính như sau:

Quả piston: là chi tiết quan trọng nhất trong hệ thống, nó làm nhiệm vụ phân tách các vùng áp lực bên trong hệ thống xy lanh Sự khác biệt về áp suất của hai bên thân piston sẽ làm ống giãn ra và co lại

Ống xy lanh: là bộ phận có hình trụ tròn liền mạch hay còn gọi là thùng xy lanh Chức năng chính của nó là chứa dầu thủy lực và giữ áp suất cho xy lanh

Hình 2.3 Cấu trúc của một xy lanh thủy lực

Cần piston: Thông thường, cần piston được làm từ thép hoặc mạ crom để đảm bảo độ cứng và chống ăn mòn tốt nhất Chi tiết này đóng vai trò là bộ phận truyền tải lực trực tiếp từ piston đến cơ cấu chấp hành Chúng được đánh bóng, nhẵn mịn và có các vòng đệm đính kèm nhằm ngăn ngừa rò rỉ dầu

Ngoài những bộ phận chính kể trên thì xy lanh thủy lực còn được cấu thành từ những bộ phận khác như: bu lông, vít khóa, bạc đạn, bích, Tất cả những chi tiết này đều được lắp đặt và kết nối chặt chẽ với nhau tạo thành hệ thống hoàn chỉnh 2.2.3 Khớp nối

2.2.3.1 Khớp nối các đăng

Khớp các đăng [12] thường được dùng để nối các trục có sự sai lệch tâm, sai số chế tạo và lắp đặt Bên cạnh đó, khớp nối cũng đảm nhiệm vai trò truyền momen giữa các cụm truyền lực đặt cách xa nhau mà trong quá trình hoạt động khoảng cách, vị trí của chúng luôn có sự thay đổi Khớp nối trục cardan được lắp ở vị trí trung gian giữa trục chủ động và trục bị động

- Cho phép truyền momen xoắn một cách trơn tru và ít tiếng động

- Đa dạng về mẫu mã, kích thước, cho phép độ lệch góc lớn nhất lên đến 45 độ giúp đáp ứng linh hoạt các yêu cầu sử dụng của từng loại máy móc, thiết bị

- Khả năng chống rung tốt - Chịu va đập hiệu quả 2.2.3.2 Khớp nối cầu

Hình 2.5 Khớp nối cầu

Trong kết cấu HIL hexapod, khớp nối cầu [13] đảm nhận nhiệm vụ kết nối cần piston của xy lanh truyền động và phần nền tải dịch chuyển Một khớp cầu cho phép một trong hai chi tiết được ghép nối thực hiện ba bậc tự do quay so với chi tiết còn lại tương đương với việc kết hợp ba khớp bản lề Qua đó cung cấp khả năng dịch chuyển linh hoạt cho nền tải đến vị trí mong muốn khi có sự thay đổi độ dài của các xy lanh theo tín hiệu điều khiển

Hình 3.1 Sơ đồ khái quát các chi tiết động học của hệ thống [15] Tổng số khâu: 𝑙 = 2 + 6 × 2 = 14

Hình 3.2 Chuyển động tịnh tiến và chuyển động góc của hệ thống [16] Như được thể hiện trong hình 3.3, ta có tọa độ của các điểm 𝐵 , 𝑖 = 1,2, … ,6 trong khung tọa độ cố định {𝐵} gắn với đế được đại diện bởi các véc tơ vị trí 𝑏 Tọa độ của các điểm 𝑃 , 𝑖 = 1,2, … ,6 trong khung tọa độ dịch chuyển {𝑃} gắn với nền tải được đại diện bởi các véc tơ vị trí 𝑝

Hình 3.3 Sơ đồ khái quát các liên kết của kết cấu hexapod [17]

a) Đế cố định b) Nền tải dịch chuyển

Hình 3.4 Vị trí các khớp nối trên đế cố định (a) và nền tải dịch chuyển (b) [17] Từ các thông số hình học của kết cấu, ta xác định được các véc tơ vị trí 𝑏 và 𝑝

𝑏 =

𝑅 cos (𝜃 )𝑅 𝑠𝑖𝑛(𝜃 )

= 𝐵𝐵𝐵

𝑝 =

𝑅 cos (𝜃 )𝑅 𝑠𝑖𝑛 𝜃

= 𝑃𝑃𝑃

Với:

𝜃 =

⎡2𝜋/3 − 𝜃𝜃2𝜋/3 + 𝜃4𝜋/3 − 𝜃4𝜋/3 + 𝜃

𝜃 =

𝜃𝜃𝜃𝜃𝜃 ⎦⎥

2𝜋/3 − 𝜃2𝜋/3 + 𝜃4𝜋/3 − 𝜃4𝜋/3 + 𝜃

−𝜃 ⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎤

(3.5)

Theo công thức véc tơ, ta có:

Trong đó:

𝐷 là véc tơ vị trí của tâm nền tải theo hệ tọa độ cố định {𝐵}

𝑅 là ma trận quay tổng hợp để chuyển đổi từ tọa độ hệ {𝑃} về tọa độ hệ {𝐵}

𝑟 = cos(𝛾) sin(𝛽) sin(𝛼) − sin(𝛾) cos(𝛼) (3.9) 𝑟 = cos(𝛾) sin(𝛽) cos(𝛼) + sin(𝛾) sin(𝛼) (3.10)

sin(𝛼)) ∗ 𝑝 + (cos(𝛽) ∗ cos(𝛼)) ∗ 𝑝 − 𝑏

(3.17) Do đó, từ các thông số vị trí và hướng dịch chuyển đã cung cấp ta xác định được sự thay đổi độ dài tương ứng của các trục dẫn

3.3 Bài toán động học thuận

Ngược lại với bài toán động học nghịch, bài toán động học thuận giúp chúng ta tính toán vị trí và hướng dịch chuyển tương ứng theo sự thay đổi độ dài của các trục dẫn [18] Ở đây, ta áp dụng phương pháp Newton Raphson để giải bài toán động học thuận theo các bước được trình bày như sau

Phương trình Newton Raphson tổng quát:

Do đó, ma trận 𝑓 và 𝑥 được xác định như sau:

⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎤

Quá trình được lặp lại với 𝑥 = 𝑥 − 𝐷𝑓 𝑥 𝑓 𝑥 cho đến khi đạt được giá trị nghiệm 𝑥 với độ chính xác thỏa mãn thì dừng lại

Do đó, từ thông số độ dài các trục dẫn được cung cấp, ta xác định được vị trí và hướng dịch chuyển tương ứng của nền tải

Chương 4 MÔ HÌNH HÓA CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA HỆ THỐNG HIL THỦY LỰC

4.1 Mô hình hóa bơm / động cơ thủy lực

Lưu lượng thể tích lý tưởng của dòng chất lỏng chảy qua một máy thủy lực (bơm hoặc động cơ) 𝑄 và mô men xoắn lý tưởng của trục máy 𝑇 được xác định tương ứng theo các phương trình (4.1) và (4.2) [19]:

Trong đó, 𝛼 là tỷ số dung tích, được tính bằng tỷ lệ của dung tích thực tế so với dung tích tối đa 𝐷 , 𝜔 và 𝑝 = 𝑝 − 𝑝 tương ứng là dung tích tối đa, tốc độ quay và chênh lệch áp suất giữa hai cổng của máy thủy lực

Trong thực tế, một máy thủy lực có thể làm việc ở hai chế độ là chế độ bơm hoặc động cơ Do ma sát, rò rỉ và tính nén của chất lỏng trong máy thủy lực mà lưu lượng thể tích và mô men xoắn có sự khác biệt giữa giá trị thực tế và giá trị lý tưởng Trong đó, giá trị thực tế của lưu lượng và mô men xoắn phụ thuộc vào áp suất vận hành, tốc độ quay, tỷ số dung tích và cả chế độ máy

4.2 Mô hình hóa bộ truyền động chung

Hệ thống truyền động điện thủy lực EHA được mô tả như hình 4.1 [21] Đặc điểm chính của hệ thống là sử dụng một mạch thủy lực vòng kín không có van điều khiển lưu lượng Do đó, giúp hệ thống hạn chế được tổn thất áp suất gây ra bởi tiết diện lỗ van Tuy nhiên, do tính đối xứng của xy lanh thủy lực, hai van một chiều có điều khiển được sử dụng để có thể dẫn dầu từ bể chứa đến xy lanh và xả dầu từ xy lanh ngược trở về bể Ngoài ra, một van an toàn được sử dụng kết hợp với hai van một chiều không lò xo giúp giới hạn áp suất của hệ thống luôn trong ngưỡng tối đa cho phép Lưu lượng và hướng dòng chảy của bơm hai chiều dễ dàng được điều chỉnh thông qua một động cơ servo AC điều khiển mờ trượt thích nghi

Van một chiều có điều khiểnVan an toàn

Bơm thủy lực

Hình 4.1 Sơ đồ chung của cơ cấu truyền động điện thủy lực EHA

Áp dụng định luật II Newton, ta có phương trình động lực học của piston như sau [16]:

Trong đó 𝑀 là khối lượng tải (𝑘𝑔); 𝑐 là hệ số giảm chấn (𝑁𝑠/𝑚); 𝐴 là diện tích làm việc của piston (𝑚 ), 𝑎 là tiết diện cần piston (𝑚 ); 𝑃 và 𝑃 là áp suất tại hai buồng của xy lanh (𝑃𝑎); 𝐹 là ngoại lực tải tác dụng lên xy lanh (𝑁)

Theo các nguyên tắc cơ bản của truyền động thủy lực, ta có các phương trình xác định áp suất tại hai buồng của xy lanh:

𝑃̇ = 𝐴 − 𝑎 𝑥̇ + (𝑃 − 𝑃 ) − 𝑄 (4.9)

Trong đó 𝑉 và 𝑉 là thể tích ban đầu của hai buồng; 𝑅 là hệ số kháng rò rỉ của xy lanh (𝑖 = 1, 2); 𝑄 là lưu lượng vào buồng 1, 𝑄 là lưu lượng ra buồng 2, chúng được xác bởi công thức:

Như trong hình 4.1, lưu lượng chảy qua van một chiều có điều khiển 1 và 2 được biểu thị bởi 𝑄 và 𝑄 Trong khi một phần nhỏ lưu lượng đi qua hai van một chiều không lò xo về bể chứa được biểu thị bởi 𝑄 và 𝑄 Lưu lượng cấp bởi bơm hai chiều 𝑄 và 𝑄 được tính như sau:

Chương 5 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

5.1 Thiết kế bộ điều khiển cho 1 xy lanh 5.1.1 Cơ sở lý thuyết

Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ trượt thích nghi đề xuất cho điều khiển một xy lanh được thể hiện như hình 5.1

Hình 5.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ trượt thích nghi [23]

Thay các phương trình (4.10), (4.11), (4.12) vào phương trình (4.13) ta thu được hệ phương trình như sau:

𝑦̇ = 𝑦𝑦̇ = 𝑦

𝑦̇ = 𝑓(𝑦, 𝑡) + 𝑔(𝑦, 𝑡)𝑢 + 𝑑(𝑡)

(5.1)

Trong đó: