TỔNG QUAN
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.
Đối tượng và mục tiêu 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
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.
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.
KẾT CẤU CƠ KHÍ CỦA HỆ THỐNG HIL THỦY LỰC
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.
Các thành phần cơ khí chính của hệ thống
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
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
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
Hình 2.4 Khớp nối các đăng
Trong kết cấu HIL hexapod, khớp nối các đăng được dùng để nối ống xy lanh truyền động với chân đế cố định
Một số điểm ưu việt của khớp các đăng:
- 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
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.
PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC
Phân tích bậc tự do của hệ thống
Hệ thống HIL kết cấu song song hexapod gồm sáu bậc tự do và được chứng minh bằng phương trình bậc tự do tổng quát [14]
Phần chân đế được cố định trên mặt đất và được xác định là một khâu Nền tải chuyển động bên trên kết nối hệ thống với đối tượng được mô phỏng cũng được xem là một khâu Mỗi xy lanh truyền động được kết nối với chân đế và tấm nền thông qua một khớp nối các đăng và một khớp cầu Khớp nối các đăng cung cấp hai bậc tự do quay trong khi số bậc tự do quay cung cấp bởi khớp cầu là ba Cấu trúc của xy lanh gồm cần piston và phần ống kết nối với nhau có thể được xem như là khớp tịnh tiến với một bậc tự do Từ đó ta xác định tổng số bậc tự do của hệ thống như sau
Hình 3.1 Sơ đồ khái quát các chi tiết động học của hệ thống [15]
Tổng số bậc tự do của các khớp nối: ∑ 𝑓 = 6 × (1 + 2 + 3) = 36 Áp dụng công thức tính bậc tự do tổng quát, ta xác định được tổng số bậc tự do của hệ thống:
Bài toán động học nghịch
Hệ thống HIL kết cấu song song sáu bậc tự do bao gồm hai loại chuyển động cơ bản đó là chuyển động tịnh tiến và chuyển động góc [16] Chuyển động tịnh tiến ở đây là các chuyển động dọc trục x, y, z Trong khi đó chuyển động góc được thể hiện thông qua 3 góc quay Euler quanh trục x (Roll: góc 𝛼), y (Pitch: góc 𝛽) và z (Yaw: góc 𝛾)
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
Theo công thức véc tơ, ta có:
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)
𝑟 = sin(𝛾) sin(𝛽) sin(𝛼) + cos(𝛾) cos(𝛼) (3.12)
𝑟 = sin(𝛾) sin(𝛽) cos(𝛼) − cos(𝛾) sin(𝛼) (3.13)
𝑟 = cos(𝛽) cos(𝛼) (3.16) Độ dài của các khâu dẫn 𝑖 chính là độ dài của các véc tơ 𝑙 được xác định theo phương trình (3.17)
𝑙 = 𝑋 + (cos(𝛾) ∗ cos(𝛽)) ∗ 𝑝 + (cos(𝛾) ∗ sin(𝛽) ∗ sin(𝛼)) − (sin(𝛾) ∗ cos(𝛼)) ∗ 𝑝 + (cos(𝛾) ∗ sin(𝛽) ∗ cos(𝛼)) + (sin(𝛾) ∗ sin(𝛼)) ∗ 𝑝 − 𝑏 + 𝑌 + (sin(𝛾) ∗ cos(𝛽)) ∗ 𝑝 + (sin(𝛾) ∗ sin(𝛽) ∗ sin(𝛼)) + (cos(𝛾) ∗ cos(𝛼)) ∗ 𝑝 + (sin(𝛾) ∗ sin(𝛽) ∗ cos(𝛼)) − (cos(𝛾) ∗ sin(𝛼)) ∗ 𝑝 − 𝑏 + 𝑍 + (− sin(𝛽)) ∗ 𝑝 + (cos(𝛽) ∗ sin(𝛼)) ∗ 𝑝 + (cos(𝛽) ∗ cos(𝛼)) ∗ 𝑝 − 𝑏
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.
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:
Bước 1: Xác định 𝑓 và 𝑥 ở dạng ma trận:
Từ phương trình (3.17) của bài toán động học nghịch, ta có các 𝑓 (𝑥) tương ứng với 𝑖 = 1,2, … ,6
Do đó, ma trận 𝑓 và 𝑥 được xác định như sau:
𝑥 = [ 𝑋 𝑌 𝑍 𝛼 𝛽 𝛾 ] (3.21) Bước 2: Xác định ma trận chuyển vị 𝐷𝑓 Với 𝐷𝑓 là đạo hàm của ma trận 𝑓:
Bước 3: Xác định vị trí và hướng dịch chuyển của nền tải cũng chính là các thành phần của ma trận 𝑥:
Sau khi đã xác định được các thành phần cơ bản của phương trình Newton Raphson ở bước 1 và 2 Ta chọn ngẫu nhiên một giá trị 𝑥 ban đầu Nếu các điều kiện giả định được đáp ứng và giá trị dự đoán 𝑥 gần với nghiệm số thì một phép xấp xỉ 𝑥 chính xác hơn là:
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
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
Hiệu suất thể tích của bơm được tính bởi tỷ số giữa lưu lượng thực tế 𝑄 với lưu lượng lý tưởng 𝑄, thể hiện như phương trình (4.3)
Các tổn thất của mô men xoắn nhớt, mô men xoắn Coulomb và mô men xoắn thủy động lực luôn tồn tại trong bơm và ta cần phải xem xét những yếu tố này khi thực hiện tính toán cho một hệ thống thực tế Hiệu suất mô men xoắn hay hiệu suất cơ học của một bơm thủy lực là mối quan hệ giữa mômen xoắn thực tế 𝑇 và giá trị lý tưởng 𝑇, được thể hiện qua phương trình (4.4)
Hiệu suất thể tích và hiệu suất cơ học của thiết bị ở chế độ động cơ được thể hiện thông qua các phương trình sau:
Trong đó, 𝑇 và 𝑄 là tổn thất mô men xoắn và tổn thất lưu lượng của động cơ thủy lực dọc trục Thông thường, giá trị của 𝑇 và 𝑄 thay đổi theo điều kiện tải và các yếu tố thực nghiệm [20].
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 khiển Van an toàn
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:
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:
Với 𝜂 là hiệu suất thể tích của bơm, 𝐷 là dung tích bơm, 𝜔 là tốc độ quay của trục bơm
Cho 𝑦 = 𝑥; 𝑦 = 𝑥̇; 𝑦 = 𝑥̈ Ta có hệ phương trình trạng thái như sau [22]:
Các phương trình từ (4.10) đến (4.13) cho thấy rằng trạng thái của hệ thống có thể được điều chỉnh thông qua thay đổi tốc độ của bơm hai chiều được điều khiển bởi một động cơ servo AC.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Thiết kế bộ điều khiển cho 1 xy lanh
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:
𝑑(𝑡) = −𝐹̇/𝑀 là độ nhiễu bên ngoài
𝑢 = 𝜔 là tín hiệu điều khiển
𝑦 = [𝑦 , 𝑦 , 𝑦 ] là các véc tơ trạng thái Để thiết kế bộ điều khiển, ta phải chú ý đến một vài giả thiết sau [24]
Giả thiết 1: 𝑓(𝑦, 𝑡) là một hàm thay đổi theo thời gian chưa biết với biên thay đổi chưa được xác định nhưng liên tục Do đó 𝑓(𝑦, 𝑡) có thể được xấp xỉ bởi tổ hợp hữu hạn tuyến tính của các hàm cơ bản như sau:
𝐴 = [𝑎 , 𝑎 , 𝑏 , … , 𝑎 , 𝑏 ] là véc tơ tham số
𝐵 = [1, cos(𝜔 𝑡) , sin(𝜔 𝑡) , … , cos(𝑛𝜔 𝑡) , sin(nω 𝑡)] là véc tơ hàm cơ bản
𝜔 = là tần số của hàm cơ bản, T là thời gian mô phỏng và 𝜀 là sai số xấp xỉ
Giả thiết 2: 𝑔(𝑦, 𝑡) là hàm chưa biết nhưng được giới hạn bởi điều kiện biên như sau:
Với 𝑔(𝑡) = 𝑔 ∆𝑔, trong đó 𝑔 là giá trị danh nghĩa đã biết và ∆𝑔 thỏa mãn điều kiện:
Giả thiết 3: Áp suất 𝑝 và 𝑝 được giới hạn theo điều kiện 𝑃 ≤ 𝑝 , 𝑝 ≤
𝑃 Trong đó 𝑃 và 𝑃 tương ứng là áp suất khí quyển và áp suất được cung cấp Để đánh giá bộ điều khiển mờ trượt thích nghi, ta đi từ biểu thức xác định mặt trượt (𝑠) [25]
Trong đó, 𝜆 > 0 là tỷ lệ hội tụ của sai số trên mặt trượt Ở đây, sai số (𝑒) là độ lệch giữa 𝑥 tham chiếu và 𝑥 thực tế của hệ thống
Thay phương trình (5.7) vào (5.8) sau đó lấy đạo hàm 𝑠 theo thời gian, ta có động lực học của 𝑠 thu được như sau:
Thay phương trình (5.1) và (5.4) vào (5.9), động lực học của 𝑠 có thể được viết lại:
𝑠̇(𝑡) = 𝑥⃛ − 𝐴 𝐵 − 𝑔 𝑢 − 𝐿(𝑡) + 2𝜆𝑒̈ + 𝜆 𝑒̇ (5.10) Trong đó 𝐿(𝑡) = 𝑔 (Δ𝑔 − 1)𝑢 + 𝑑(𝑡) + 𝜀 là một hàm gộp
Bỏ qua hàm gộp 𝐿(𝑡), để giải phương trình 𝑠̇ = 0, thành phần điều khiển tương đương 𝑢 được xác định bằng công thức:
Với 𝐴 là véc tơ tham số đánh giá của véc tơ 𝐴 Để bảo đảm điều kiện trượt 𝑉̇ = 𝑠𝑠̇ < 0 , một thành phần điều khiển hiệu chỉnh 𝑢 phải được thêm vào [26]
Trong đó, 𝜂 > 0 là hệ số khuếch đại
Ta có quy luật điều khiển tổng quát được xác định như sau [26]:
Thay phương trình (5.13) vào phương trình (5.10), động lực học của mặt trượt (𝑠) được viết lại như sau:
Với 𝐴 = 𝐴 − 𝐴 là sai số ước lượng
𝑉 = 𝑠 + 𝛿 𝐴 (5.15) Đạo hàm V theo thời gian, ta được:
Luật thích nghi được chọn là:
Trong đó, 𝛿 là hằng số dương, 𝐴̇ = 𝐴̇
Do đó, phương trình (5.16) có thể được viết lại:
𝑉̇ = −𝜂 𝑠 𝑠𝑔𝑛(𝑠) − 𝑠𝐿(𝑡) ≤ −|𝑠|(𝜂 − |𝐿(𝑡)|) (5.18) Để thỏa mãn điều kiện ổn định 𝑉̇ < 0 , hằng số dương 𝜂 phải thỏa mãn điều kiện: 𝜂 > |𝐿(𝑡)| [27]
Biểu thức 𝜂 > |𝐿(𝑡)| cho thấy giá trị của 𝜂 phụ thuộc vào biên trên của hàm 𝐿(𝑡)
Như đã xác định trong điều kiện (5.6), mặc dù biên của Δ𝑔 có thể được ước lượng nhưng khó có thể xác định được chính xác giá trị của nó trong tính toán thực tế Ngoài ra, như đã đề cập trong giả thiết 1, 𝜀 là một giá trị chưa biết Do đó, biên của 𝐿(𝑡) cũng khó có thể được xác định chính xác Nếu biên của 𝐿(𝑡) được chọn quá lớn, tín hiệu điều khiểu hiệu chỉnh sẽ gây ra hiện tượng rung lắc nghiêm trọng cho kết cấu cơ khí, đồng thời cho thấy động lực học của hệ thống không ổn định Ngược lại, nếu biên được chọn quá nhỏ, điều kiện ổn định có thể không được thỏa mãn Để làm giảm ảnh hưởng của hiện tượng rung lắc, một hàm bão hòa được sử dụng như sau:
Trong đó, 𝜓 là độ dày của lớp biên
Tương tự như đã đề cập ở trên, hằng số dương 𝜂 trong phương trình (5.19) cũng phụ thuộc vào biên của 𝐿(𝑡) Do đó, độ ổn định bên trong lớp biên không thể được đảm bảo
Vì lý do này, một thuật toán mờ được sử dụng để xác định thành phần điều khiển hiệu chỉnh 𝑢 Ở đây, mặt trượt (𝑠) là biến ngôn ngữ ngõ vào của logic mờ và thành phần điều khiển hiệu chỉnh là biến ngôn ngữ ngõ ra Bảy giá trị ngôn ngữ của biến ngõ vào và ngõ ra lần lượt là âm lớn (NB – negative big), âm vừa (NM – negative medium), âm nhỏ (NS – negative small), bằng 0 (Z - zero), dương nhỏ (PS – positive small), dương vừa (PM – positive medium), dương lớn (PB – positive big) Các hàm liên quan theo biến ngõ vào và ngõ ra được thể hiện như hình 5.2 và 5.3
Hình 5.2 Các biến ngôn ngữ ngõ vào 𝑠
Hình 5.3 Các biến ngôn ngữ ngõ ra 𝑢
Dựa trên tín hiệu điều khiển hiệu chỉnh 𝑢 được cho ở phương trình (5.12), các luật điều khiển cơ bản của bộ điều khiển mờ trượt thích nghi được xây dựng như sau:
Luật 1: Nếu 𝑠 là Z thì 𝑢 là Z
Luật 2: Nếu 𝑠 là PS thì 𝑢 là PS
Luật 3: Nếu 𝑠 là PM thì 𝑢 là PM
Luật 4: Nếu 𝑠 là PB thì 𝑢 là PB
Luật 5: Nếu 𝑠 là NS thì 𝑢 là NS
Luật 6: Nếu 𝑠 là NM thì 𝑢 là NM
Luật 7: Nếu 𝑠 là NB thì 𝑢 là NB
Các tín hiệu điều khiển hiệu chỉnh ở ngõ ra có thể thu được bằng cách sử dụng phương pháp trung bình tâm:
Trong đó, 0 ≤ 𝜇 ≤ 1; 𝑖 = 0,1, … ,6 là những những trọng số của luật mờ 1,2, … ,7 Và 𝑟 , 𝑟 , 𝑟 , 𝑟 , 𝑟 , 𝑟 , 𝑟 là tâm các hàm liên quan Z, PS, PM, PB, NS, NM,
NB của biến đầu ra Cụ thể trong luận án này, ta chọn: 𝑟 = 0, 𝑟 = 𝑟, 𝑟 = 2𝑟, 𝑟 3𝑟, 𝑟 = −𝑟, 𝑟 = −2𝑟, 𝑟 = −3𝑟
Trong đó 𝑟 được gọi là tham số mờ Vì ∑ 𝜇 = 1 nên phương trình (5.12) có thể được viết lại:
Thay 𝑢 trong phương trình (5.12) bằng (5.21), đạo hàm theo thời gian của mặt trượt được viết lại:
Phương trình (5.16) được viết lại như sau:
𝑉̇ = −𝑟𝑔 𝑠𝜃(𝑠) − 𝑠𝐿(𝑡) ≤ −|𝑠|(𝑟 𝑔 |𝜃(𝑠)| − |𝐿(𝑡)|) (5.24) Đề thỏa mãn điều kiện trượt, tham số mờ (𝑟) phải thỏa mãn điều kiện [28]:
Theo (5.25), tồn tại một giá trị tối ưu (𝑟 ∗ ) để thỏa mãn điều kiện trượt [28]:
Với 𝛽 là một hằng số dương
Tuy nhiên, giá trị tối ưu của 𝑟 ∗ khó có thể được xác định chính xác Vậy nên ta sử dụng một thuật toán thích nghi đơn giản để ước lượng nó Quy luật điều khiển của bộ điều khiển mờ trượt thích nghi được thể hiện như sau:
𝑢 = 𝑢 + 𝑢 = 𝑢 + 𝑟̂𝜃(𝑠) (5.27) Ở đây, 𝑟̂ là giá trị ước lượng của giá trị tối ưu 𝑟 ∗
Thay phương trình (5.11) vào (5.27) và sắp xếp lại, ta được:
𝑢 = 𝑢 + 𝑢 = 𝑥⃛ − 𝐴 𝐵 + 2𝜆𝑒̈ + 𝜆 𝑒̇ + 𝑟̂𝜃(𝑠) (5.28) Động lực học của 𝑠 được viết lại:
𝑠̇ = −𝐴 𝐵 + 𝐴 𝐵 − 𝑔 𝑟̂𝜃(𝑠) − 𝐿(𝑡) + 𝑔 𝑟 ∗ 𝜃(𝑠) − 𝑔 𝑟 ∗ 𝜃(𝑠) (5.29) Cho 𝑟̃ = 𝑟 ∗ − 𝑟̂, sắp xếp lại phương trình (5.29), ta thu được:
Hàm Lyapunow được xác định:
Lấy đạo hàm 𝑉 theo thời gian và kết hợp với phương trình (5.31), ta thu được:
( )+ 𝑔 𝑟 ∗ (5.32) Với 𝐴̇ = 𝐴̇ và 𝑟̃̇ = −𝑟̂̇, luật thích nghi được thiết lập như sau:
Trong đó 𝛿 và 𝛿 là các hằng số dương
Vì 𝑠𝜃(𝑠) > 0, phương trình (36) có thể được viết lại:
Thay phương trình (5.25) vào (5.35), ta được:
Do đó, hệ thống điều khiển ổn định theo tiêu chuẩn Lyapunov Dựa trên bổ đề của Barbarlet, sai số sẽ dần tiệm cận về 0 [28]
5.1.2 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển cho 1 xy lanh
5.1.2.1 Mô hình bộ điều khiển cho một xy lanh Để kiểm nghiệm chất lượng của bộ điều khiển đối với cơ cấu truyền động điện thủy lực, một mô hình ảo của cơ cấu đã được xây dựng bằng phần mềm Amesim như hình 5.4 Trong mô hình này, hai cảm biến áp suất được sử dụng để giám sát áp suất tại hai cổng của xy lanh thủy lực Vị trí của tải được đo bằng một cảm biến vị trí và tín hiệu của cảm biến này sẽ được gửi đến bộ điều khiển để tạo ra tín hiệu điều khiển cho việc điều chỉnh lưu lượng bơm Mô hình ảo này của hệ thống EHA sẽ được nạp vào phần mềm Matlab/Simulink và trong đó ta khai báo các thông số của bộ điều khiển mờ trượt thích nghi như bảng 5.1
Bảng 5.1 Thông số thiết lập của EHA
Bộ phận Thông số Giá trị
Bơm hai chiều Tốc độ quay tối đa 1000 [rpm]
Thể tích dầu trên một vòng quay 24 [cc/rev]
Xy lanh thủy lực Đường kính cần 10 [mm] Đường kính piston 20 [mm]
Khoảng dịch chuyển của piston 100 [mm]
Dầu thủy lực Mô đun khối của dầu 1.5x10 9 [Pa]
Trọng lượng riêng của dầu 0.87
Van an toàn Áp suất điều chỉnh 50 [Pa]
Hình 5.4 Mô hình ảo của cơ cấu truyền động điện - thủy lực xây dựng bẳng
Hình 5.5 Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển
5.1.2.2 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển cho một xy lanh
Trường hợp 1: Trong trường hợp này, phản hồi đa bước của hệ thống điều khiển bởi thuật toán mờ trượt thích nghi với điều kiện tải 1𝑘𝑁 được thể hiện như hình 5.6 Trong đó, đường nét đứt đại diện cho giá trị tham chiếu và đường nét liền là giá trị theo bộ điều khiển mờ trượt thích nghi Thời gian thực hiện được cài đặt là 0.01𝑠 cho tất cả các mô phỏng Có thể thấy tại thời điểm bắt đầu, phản hồi vị trí của hệ thống được điều khiển bằng thuật toán mờ trượt thích nghi không được tốt do sự khác nhau giữa trạng thái ban đầu của hệ thống so với quỹ đạo tham chiếu Sau khoảng 2𝑠, bộ điều khiển dần đi vào ổn định và cung cấp phản hồi vị trí với độ chính xác cao Hình 5.7 thể hiện sai số vị trí của hệ thống Ngoài ra, ta có thể thấy áp suất 𝑝 tại cổng 2 của xy lanh gần như bằng 0 trong khi áp suất 𝑝 tại cổng 1 luôn lớn hơn 0 và ổn định ở mức 31.5 𝑏𝑎𝑟 (hình 5.8) Để mở rộng từ vị trí ban đầu lên 50𝑚𝑚 dầu sẽ chảy từ cổng 2 qua cổng 1 của xy lanh dưới tác động của bơm qua đó tạo ra áp suất dương đủ để thắng được ngoại lực 1𝑘𝑁 nhưng sau đó dần tụt về vị trí 30𝑚𝑚 do tác động của ngoại lực Như vậy áp suất dương 𝑝 luôn được duy trì
Hình 5.6 Phản hồi đa bước của hệ thống với bộ điều khiển mờ trượt thích nghi
Hình 5.7 Sai số vị trí của hệ thống theo thời gian
Hình 5.8 Áp suất theo thời gian tại cổng 1 (𝑝 ) và cổng 2 (𝑝 ) của xy lanh với bộ điều khiển mờ trượt thích nghi cho phản hồi đa bước
Trường hợp 2: Tín hiệu ở đây có dạng hình sin với biên độ 30𝑚𝑚 và tần số 0.1𝐻𝑧 Ngoại lực cũng có dạng hình sin với biên độ 10 𝑘𝑁 và giống tần số với tín hiệu mong muốn nhưng lệch pha 90 0 (hình 5.9) Điều đó có nghĩa là khi piston mở rộng hành trình nó sẽ gây ra một lực đẩy lên tải và ngược lại tải sẽ chịu tác dụng của một lực kéo khi piston thu về Tại cuối hành trình của piston, lực tải bằng 0 Hình 5.10 thể hiện vị trí thực tế của tải dưới sự điều khiển của thuật toán mờ trượt thích nghi so với giá trị tham chiếu Ta thấy giá trị vị trí thực tế của tải bám sát theo giá trị tham chiếu, cùng với đó là sai số của hệ thống điều khiển luôn được giới hạn trong biên 1𝑚𝑚 như thể hiện trong hình 5.11 Ngoài ra, ngay tại thời điểm bắt đầu, vị trí của tải đã có thể bám sát với giá trị tham chiếu Áp suất tại hai cổng của xy lanh thủy lực thu được như hình 5.12, ta thấy rằng có sự lệch pha giữa áp suất 𝑝 và
𝑝 với 𝑝 > 0, 𝑝 = 0 khi piston mở rộng hành trình và 𝑝 = 0, 𝑝 > 0 khi piston thu hẹp hành trình Ngoài ra, áp suất 𝑝 luôn luôn lớn hơn 𝑝 bởi vì diện tích tác động tại buồng 2 của xy lanh luôn nhỏ hơn so với buồng 1 Bên cạnh đó, các tham số mờ cũng được điều chỉnh liên tục theo thời gian Sau khoảng 2.5 𝑠, tham số mờ của tín hiệu điều khiển phụ đạt được giá trị tối ưu 0.147
Hình 5.9 Giá trị lực tải theo thời gian
Hình 5.10 So sánh giữa giá trị vị trí thực tế của tải và tham chiếu
Hình 5.11 Sai số giữa vị trí thực tế và tham chiếu
Hình 5.12 Trạng thái áp suất của hai cổng xy lanh
Hình 5.13 Sự thay đổi của tham số mờ
Thiết kế bộ điều khiển cho 6 xy lanh
Mô hình động lực học của hệ thống HIL kết cấu song song 6 bậc tự do có thể được mô tả bằng phương trình vi phân phi tuyến bậc 2 [16]:
Trong đó, 𝑞, 𝑞̇, 𝑞̈ ∈ 𝑅 tương ứng là các véc tơ độ dịch chuyển, vận tốc và gia tốc của khớp; 𝑀(𝑞) ∈ 𝑅 × là ma trận mô men quán tính, 𝐶(𝑞, 𝑞̇)𝑞̇ ∈ 𝑅 là véc tơ của lực hướng tâm và lực Coriolis; 𝐺(𝑞) và 𝜏 tương ứng là các véc tơ 6 × 1 của lực hấp dẫn và mô men xoắn đầu vào; 𝐽(𝑞) ∈ 𝑅 × là ma trận Jacobian
6 xy lanh thủy lực giống hệt nhau được sử dụng để truyền động kết cấu HIL hexapod Các phương trình động lực học của hệ thống được viết dưới dạng ma trận như sau:
Với 𝑀 , 𝐶 và 𝐾 tương ứng là các ma trận quán tính, ma trận hệ số giảm chấn nhớt và ma trận khuếch đại của bộ truyền động 𝐽 và 𝐽 là các mô men quán tính của xy lanh và bơm, 𝑏 và 𝑏 là hệ số giảm chấn nhớt của xy lanh và bơm, 𝑝 và 𝑛 là độ dịch chuyển của xy lanh và chuyển vị góc quay của bơm 𝜏 và 𝐹 là các véc tơ của mô men xoắn của động cơ và lực tác động lên bộ truyền động Điện động lực của bộ truyền động có thể được mô tả thông qua các phương trình sau:
Trong đó, 𝐾 , 𝐿, 𝑅, 𝐾 là hằng số mô men xoắn, độ tự cảm của rô to, điện trở cực, hằng số lực điện động của động cơ 𝑉 và 𝑖 là điện áp và dòng điện đi qua động cơ Tốc độ góc của động cơ được tính công thức:
Phương trình (5.38) có thể được thể hiện trong không gian Ơclit như sau:
Thay (5.37) vào (5.38), các thông số 𝑀 (𝑞), 𝐶 (𝑞, 𝑞̇) và 𝐺 (𝑞) trong phương trình (5.45) được xác định:
Như vậy với việc tính được mô men xoắn 𝜏 thông qua thuật toán điều khiển ở phương trình (5.42), (5.43) và đo được giá trị vị trí góc của động cơ Bên cạnh đó, độ tự cảm 𝐿 và điện trở 𝑅 là hai thông số đã biết Ta tính được điện áp của mỗi động cơ
Một vài tính chất liên quan gắn với bộ điều khiển mờ trượt thích nghi [29] được cho như sau:
Tính chất 1: Ma trận mô men quá tính 𝑀 (𝑞) là một ma trận xác định dương và đối xứng, không suy biến và được ràng buộc bởi điều kiện 𝑚 ‖𝑥‖ ≤
𝑥 𝑀 (𝑞)𝑥 ≤ 𝑚 ‖𝑥‖ ∀𝑥 ∈ 𝑅 Trong đó 𝑚 và 𝑚 là trị số nhỏ nhất và lớn nhất của 𝑀 (𝑞)
Tính chất 2: Với 𝐶 (𝑞) được chọn phù hợp; 𝑀̇ (𝑞) − 2𝐶 (𝑞, 𝑞̇) có thể là một ma trận chéo đối xứng Ta có:
Phương trình động lực học của kết cấu HIL hexapod 6 bậc tự do có thể được biểu diễn dưới dạng hệ phi tuyến bậc hai MIMO như sau [30]:
Trong đó, 𝑞 = [𝑞 , 𝑞 , … , 𝑞 ] là véc tơ chuyển vị của khớp tịnh tiến, 𝑈(𝑡) [𝑢 , 𝑢 , … , 𝑢 ] là véc tơ điều khiển đầu vào, 𝐷(𝑡) là các nhiễu bên ngoài chưa biết nhưng được giới hạn bởi hàm đã biết là ‖𝐷(𝑡)‖ ≤ 𝐷 Sau đó, ta xem
−𝑀 (𝑞)𝐶 (𝑞, 𝑞̇)𝑞̇ − 𝑀 (𝑞)𝐺 (𝑞) như là 𝐹(𝑞, 𝑞̇) và [𝑀 (𝑞)] như là 𝐺(𝑞) Do đó, phương trình (3.18) có thể viết lại như sau:
Với 𝐹(𝑞, 𝑞̇) và 𝐺(𝑞) là các hàm liên tục chưa biết được xác định như sau: 𝐹(𝑞, 𝑞̇) = [𝑓 (𝑞, 𝑞̇), 𝑓 (𝑞, 𝑞̇), … , 𝑓 (𝑞, 𝑞̇)] (5.52) 𝐺(𝑞) 𝑔 (𝑞) ⋯ 𝑔 (𝑞)
𝐹(𝑞, 𝑞̇) và 𝐺(𝑞) là các đại lượng ước lượng tương ứng của 𝐹(𝑞, 𝑞̇) và 𝐺(𝑞) với các sai số đánh giá được giới hạn
Giả thiết 1 Ma trận 𝐺(𝑞) được xác định dương, do đó tồn tại 𝛿 > 0, 𝛿 ∈ 𝑅 sao cho 𝐺(𝑞) > 𝛿 𝐼 × với 𝐼 × là một ma trận kích thước 𝑚 × 𝑚
Giả thiết 2 Quỹ đạo mong muốn 𝑞 (𝑡), 𝑖 = 1,2, … ,6 là một hàm theo thời gian được giới hạn đã biết với các đạo hàm đã biết và 𝑞 (𝑡) có thể vi phân hai lần
5.2.2 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển cho 6 xy lanh
Giá trị các thông số của bộ truyền động HIL hexapod được cho như bảng 5.2 và thông số quỹ đạo mong muốn của nền dịch chuyển được chọn như sau:
Các thông số của bộ điều khiểu được chọn theo kinh nghiệm để đảm bảo thu được hiệu suất tốt nhất: 𝜂 = 𝜂 = 0.7, 𝜀 = 0.1, 𝜀̅ = 𝜀̅ = 0, 𝛿 = 1, 𝛽 1.1, 𝛾 = 1.15, 𝑝 = 0.23, 𝑘 = 5
Bảng 5.2 Giá trị các thông số của bộ truyền động HIL hexapod
Biến Mô tả Độ lớn Đơn vị
𝑚 Khối lượng của nền dịch chuyển 1.324 𝑘𝑔
𝑚 Khối lượng của nửa trục cố định 0.4279 𝑘𝑔
𝑚 Khối lượng của nửa trục dịch chuyển 0.1228 𝑘𝑔
𝑙 Độ dài của nửa trục cố định 0.22 𝑚
𝑙 Độ dài của nửa trục dịch chuyển 0.05 𝑚
𝐼 , 𝐼 , 𝐼 Mô men khối của quán tính theo phương x, y, z 0.0025,
𝑅 Bán kính chu vi tấm nền 0.18867 𝑚
𝑅 Bán kính chu vi bệ đỡ 0.2932 𝑚
𝜃 Góc giữa các điểm khớp nối trên mặt phẳng nền 25.68 0
𝜃 Góc giữa các điểm nối khớp trên mặt phẳng đế 16.41 0 Cho mỗi biến trạng thái 𝑞, 𝑞̇, ta xác định ba hàm Gaussian liên quan:
Kết quả mô phỏng quỹ đạo dịch chuyển của nền tải với bộ điều khiển mờ trượt thích nghi được thể hiện như hình 5.14 và 5.15 Ở đây ta không xét đến ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu bên ngoài
Ta thấy quỹ đạo được mô phỏng gần như trùng khớp với quỹ đạo mong muốn Ngoài ra, hình 5.16 và 5.17 cho thấy tín hiệu điều khiển ngõ vào của các trục dẫn và chế độ trượt đầu cuối tương ứng với 6 bậc tự do chuyển động Ta thấy các tín hiệu điều khiển ngõ vào liên tục và dao động không đáng kể Hệ thống cũng bắt đầu đạt được chế độ trượt sau khoảng thời gian rất nhanh
Hình 5.14 Quỹ đạo mô phỏng thu được với bộ điều khiển mờ trượt thích nghi
Quỹ đạo mô phỏng thu được theo trục x
Quỹ đạo mô phỏng thu được theo trục y
Quỹ đạo mô phỏng thu được theo trục z Hình 5.15 Quỹ đạo mô phỏng thu được theo 3 trục x (surge), y (sway), z (heave)
Hình 5.16 Tín hiệu điều khiển đầu vào tại mỗi trục truyền động 1-6
Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Quá trình nghiên cứu và phát triển hệ thống HIL thủy lực gồm 2 phần chính: mô phỏng và thực nghiệm Tuy nhiên, vì thời gian không cho phép, bước đầu tiên luận văn chỉ tập trung giải quyết các nội dung cơ sở lý thuyết bao gồm nghiên cứu tổng quan, phân tích động học, mô phỏng và đánh giá kết quả mô phỏng bộ điều khiển sử dụng cho hệ thống Tiếp theo, cần xây dựng mô hình vật lý và thực hiện kiểm nghiệm lại các dữ liệu mô phỏng đã thu được từ phần mềm
Kết quả mô phỏng của hệ thống HIL kết cấu song song 6 bậc tự do trên bộ điều khiển mờ trượt thích nghi thu được khá tốt Bộ điều khiển không chỉ đảm bảo độ chính xác cao cho quỹ đạo mô phỏng mà còn hạn chế tối đa những ảnh hưởng bất lợi của các yếu tố nhiễu lên quá trình mô phỏng Với kết quả đó, ta khẳng định bộ điều khiển mờ trượt thích nghi hoàn toàn phù hợp để sử dụng cho hệ thống HIL
Song song với việc phân tích mô phỏng hệ thống HIL cơ bản cần mở rộng tìm hiểu các hệ thống HIL tiên tiến sử dụng cho các ngành công nghiệp hiện đại như hàng không vũ trụ, hàng hải, công nghiệp quốc phòng Qua đó nắm bắt được các nền tảng kiến thức, công nghệ mới giúp ích cho quá trình nghiên cứu và phát triển hệ thống trong tương lai.