Nghiên cứu điều khiển tốc độ của trục quay truyền động bằng động cơ thủy lực (tt)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN NGỌC HẢI NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA TRỤC QUAY TRUYỀN ĐỘNG BẰNG ĐỘNG CƠ THỦY LỰC C C R UT.L D Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Mã số ngành: 9520103 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2020 Cơng trình hoàn thành tại: ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Lê Cung GS TS Ngô Văn Dũng Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Huy Ninh C C R UT.L Phản biện 2: TS Nguyễn Thanh Hải D Phản biện 3: PGS.TS Đinh Minh Diệm Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng vào hồi ……giờ, ngày 18 tháng 10 năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thƣ viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Học liệu Truyền thông, Trƣờng Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong năm đầu kỷ 21, nhờ phát triển mạnh mẽ kỹ thuật máy tính, công nghệ thông tin, công nghệ điện tử khí xác mà kỹ thuật điều khiển tự động q trình cơng nghệ lĩnh vực cơng nghiệp giới có phát triển vượt bậc Trong đó, lĩnh vực điều khiển hệ thủy lực ngày nghiên cứu phát triển ứng dụng với chất lượng điều khiển ngày cao Hiện nay, thiết bị thủy lực công suất lớn như: hệ thống điều khiển cánh hướng nhà máy thủy điện; máy ép điều khiển chương trình số; robot cơng nghiệp hàn hay gắp vật nặng môi trường khắc nghiệt; máy cắt gọt chuyên dùng máy CNC C C R UT.L (máy mài, máy bào, máy phay, máy tiện, ); thiết bị quân v.v D ứng dụng Việt Nam Các đề tài nghiên cứu truyền động điều khiển hệ thủy lực nhà khoa học quan tâm thường xun có báo cơng bố tạp chí chun ngành giới Trong đó, tập trung nghiên cứu chất lượng phần tử thủy lực chất lượng hệ điều khiển thủy lực Để có thiết bị chất lượng cao động lực học vấn đề quan trọng, nghiên cứu vấn đề phức tạp Nghiên cứu động lực học hệ điều khiển thủy lực chuyển động quay cho trục công tác (như trục quay Rada, trục quay Robot, trục quay bàn dao máy CNC v.v.) với giả thiết để có kết sát với thực tế vấn đề phức tạp Nên việc nghiên cứu đáp ứng độ điều khiển tốc độ trục quay truyền động thủy lực cần thiết Ở Việt Nam, kỹ thuật điều khiển thủy lực với kết hợp thủy lực - điện tử - tin học - thuật tốn điều khiển thơng minh đề tài cịn cơng trình nghiên cứu cơng bố Từ sở phân tích trên, đề tài luận án “Nghiên cứu điều khiển tốc độ trục quay truyền động động thủy lực” có tính khoa học mặt lý thuyết thực nghiệm, góp phần phát triển làm chủ công nghệ lĩnh vực kỹ thuật điều khiển thủy lực Việt Nam Mục tiêu nghiên cứu Về mặt lý thuyết: Xây dựng mô hình nghiên cứu điều khiển tốc độ trục quay truyền động động thủy lực, lập mô hình vật lý, mơ hình tốn sơ đồ khối mơ tả mối quan hệ tín hiệu vào/ra hệ thống Nghiên cứu mô đáp ứng độ điều khiển tốc độ trục quay máy vi tính C C R UT.L Về mặt thực nghiệm: Thiết kế lắp ráp mơ hình nghiên cứu thực nghiệm, tìm tham số điều khiển PID tự điều chỉnh mờ, viết D chương trình điều khiển tốc độ cụm trục quay Khảo sát đáp ứng độ thực nghiệm so sánh với đáp ứng độ lý thuyết Mục đích đề tài nhằm góp phần phát triển làm phong phú thêm nghiên cứu lĩnh vực điều khiển hệ thủy lực Việt Nam Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu đáp ứng độ tốc độ trục quay truyền động động thủy lực Phạm vi nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu mô lý thuyết máy vi tính nghiên cứu thực nghiệm thiết bị thiết kế, lắp đặt điều khiển hệ thủy lực chuyển động quay, tải trọng tác động lên trục quay khơng đổi q trình vận hành thực nghiệm Xác định thông số điều khiển nhằm đạt tiêu đáp ứng độ (độ vọt lố, thời gian đáp ứng, sai số xác lập) Nội dung nghiên cứu Để đạt mục tiêu nghiên cứu trình bày đề tài thực nội dung sau: Nghiên cứu lý thuyết truyền động điều khiển thủy lực Phân tích xây dựng mơ hình vật lý điều khiển tốc độ trục quay, thiết lập phương trình vi phân mơ tả hoạt động hệ thống, thiết lập mối quan hệ tín hiệu vào tín hiệu Phân tích chọn thuật tốn điều khiển PID tự điều chỉnh mờ để điều khiển hệ thống Thiết kế lắp đặt thiết bị thí nghiệm điều khiển tốc độ trục quay Trên đó, truyền động từ động thủy lực đến trục quay thông qua truyền đai tải trọng tác động lên trục quay khơng đổi Chương trình điều khiển hệ thống có kết đáp ứng C C R UT.L hệ vẽ lưu trữ theo thời gian thực máy vi tính Nghiên cứu thực nghiệm đáp ứng độ hệ thống, D quan tâm đến ảnh hưởng tham số điều khiển ảnh hưởng nhiệt độ dầu đến đặc tính q trình q độ (độ vọt lố, thời gian đáp ứng sai số xác lập) Trên sở đó, xác định tham số thực nghiệm phù hợp, đạt kết tốt tiêu chuẩn ITAE Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Với mục tiêu nội dung nghiên cứu trình bày trên, đề tài có ý nghĩa khoa học thực tiễn sau: Trong thực tế, cấu chấp hành có nhiều khâu đàn hồi nhiều khối lượng chuyển động nên mơ hình nghiên cứu động lực học điều khiển tốc độ động thủy lực qua khâu mềm (bộ truyền đai thang) với hai giá trị mơ men qn tính khối lượng hai khâu đàn hồi có ý nghĩa thực tiễn Góp phần mở rộng phạm vi điều khiển với tham số điều khiển PID tự điều chỉnh mờ nhiều tốc độ cài đặt khác Nghiên cứu phát triển để ứng dụng cho thiết bị mà truyền động trực tiếp từ động thủy lực đến cấu chấp hành qua truyền động truyền ăn khớp CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Qua khảo sát cơng trình cơng bố tạp chí sách chuyên khảo, từ lý thuyết đến thực nghiệm, rút số cơng trình thực hiện: Hệ truyền động: Mơ hình nghiên cứu thiết lập từ động thủy lực đến trục quay thường truyền động trực tiếp qua truyền (bánh răng, bánh - răng, vít me - đai ốc) với khâu đàn hồi C C R UT.L Mơ hình hóa mơ tả hệ thống qua phương trình vi phân, ứng dụng lý thuyết điều khiển tự động để nghiên cứu động lực học hệ thống D Nghiên cứu kết cấu, đặc tính động lực học vấn đề liên quan khác đến việc điều khiển van tỷ lệ, van servo ứng dụng chúng Qua đó, khẳng định kỹ thuật điều khiển vô cấp hệ thủy lực van tỷ lệ van servo phát triển với công nghệ cao Tuy nhiên, với hãng sản xuất thiết bị khác yêu cầu độ xác chế tạo khác nhau, đặc tính động lực học hệ thống phụ thuộc vào toán cụ thể yêu cầu tiêu đáp ứng hệ thống Với điều khiển: Bộ PID cổ điển nhiều công bố điều khiển tín hiệu cố định Nhược điểm, tham số (KP, KI, KD) cố định sử dụng dãi điều khiển hẹp Nếu muốn phạm vi điều chỉnh lớn có nhiều cặp tham số (KP, KI, KD); Với điều khiển PID mờ có vài cơng trình nghiên cứu phạm vi điều khiển PID mờ sử dụng giới hạn điều khiển định Nhược điểm hệ thủy lực thường không tuyến tính Các yếu tố gây nên phi tuyến tính khả nén chất lỏng thủy lực, tính chất dịng chảy phức tạp van servo, van tỷ lệ ma sát phần tử thủy lực Các cơng bố trước năm 2000 cho thấy, tính chất phức tạp hệ thủy hạn chế kỹ thuật điều khiển nên điều khiển vận tốc cấu chấp hành thủy lực thường vận tốc thấp Tuy nhiên, từ năm 2000 đến phát triển mạnh kỹ thuật tin học (phần mềm điều khiển), điện, điện tử phần tử thủy lực nên việc điều khiển trở nên dễ dàng thuận lợi C C R UT.L điều khiển vận tốc cao Trên giới lĩnh vực phát triển mạnh quan tâm nhiều nhà khoa học nhà D sản xuất thiết bị, nhà xuất biên tập tổng hợp cơng trình xuất thành sách Trên sở phân tích tổng quan cơng trình cơng bố, hướng nghiên cứu đề tài đề xuất là: Mơ hình nghiên cứu xây dựng truyền động từ động thủy lực qua khâu mềm đến trục quay; Điều khiển tốc độ động thủy lực van tỷ lệ; Bộ điều khiển chọn PID tự điều chỉnh mờ; Tốc độ điều khiển vô cấp nhiều giá trị cài đặt khác CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC Cơ sở lý thuyết hệ thống truyền động thủy lực là: Đã phân tích cấu trúc hệ thống thủy lực; Các tính chất vật lý lưu chất truyền lượng; Phân tích đặc điểm phương pháp xác định lưu lượng dòng chảy qua van tỷ lệ van servo; Phân tích động thủy lực truyền chuyển động quay Lý thuyết sở để xây dựng mơ hình động lực học, phương pháp thiết lập phương trình tốn học mơ tả mối quan hệ tín hiệu vào/ra hệ thống Cơ sở lý thuyết điều khiển hệ thủy lực là: Đã đề cập cách tổng quan phương pháp điều khiển hệ thủy lực thường dụng nay; Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng động C C R UT.L lực học hệ; Ứng dụng lý thuyết để xây dựng mối quan hệ tín hiệu vào/ra qua phương trình vi phân; Sơ đồ khối mô tả hệ D thống ứng dụng điều khiển hệ thống; Ngồi ra, nội dung cịn đề cập đến phương pháp đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA TRỤC QUAY TRUYỀN ĐỘNG BẰNG ĐỘNG CƠ THỦY LỰC Hình 3.1 ví dụ sơ đồ khối thể đặc tính phận hệ điều khiển phân loại theo dạng đặc tính Qua sơ đồ thấy hệ điều khiển, phận có đặc tính riêng có tác động qua lại phận cho ta đặc tính chung cho hệ Có thể hình dung mục tiêu tốn lý thuyết chọn điều khiển thông số điều khiển phù hợp để đặc tính tín hiệu đạt yêu cầu (theo tiêu chuẩn ITAE) Trong thiết bị khí chủ yếu có dạng tín hiệu ra, tức có tín hiệu cần điều khiển, điều khiển theo vị trí, theo tải trọng theo tốc độ cho hệ chuyển động tịnh tiến chuyển động quay Cụm động thủy lực cấu chấp hành Van tỷ lệ Bộ điều khiển E p u0 I Ω Q + n1 t Tín hiệu F Cảm biến Hình 3.1 Sơ đồ khối thể đặc tính hệ điều khiển Nội dung chương trình bày nghiên cứu mô điều khiển tốc độ trục chuyển động quay Từ sơ đồ mơ hình C C R UT.L nghiên cứu, xây dựng mơ hình tính tốn lập phương trình mơ D tả hệ, sử dụng lý thuyết điều khiển tự động để xây dựng sơ đồ khối mối quan hệ tính hiệu vào (điện áp u0) tín hiệu tốc độ trục quay (n1) Nghiên cứu mô máy tính phần mềm Matlab/Simulink để thể trình điều khiển vẽ đồ thị đáp ứng trình độ hệ thống Xác định tiêu đáp ứng độ tốc độ, là: Thời gian tăng tr; Thời gian xác lập tqđ; Độ vọt lố cmax-cxl sai số vòng quay chế độ xác lập exl 3.1 Xây dựng mô hình nghiên cứu đáp ứng độ cụm trục quay truyền động thủy lực 3.1.1 Phân tích tổng quan Hình 3.2 số mơ hình ứng dụng điển hình, đó: a) Ứng dụng truyền động động thủy lực rada; b) Ứng dụng truyền động động thủy lực robot; c) Ứng dụng truyền động động thủy lực điều khiển vị trí bàn máy qua truyền bánh - răng; d) Ứng dụng truyền động động thủy lực điều khiển vị trí bàn máy qua truyền vít me - đai ốc [3]; e, g) Ứng dụng truyền động xilanh thủy lực điều khiển vị trí bàn máy [2] Jt  Rada Robot Bộ truyền bánh Động thủy lực Bộ truyền bánh Động thủy lực Van servo Van servo a) b) C C R UT.L Bàn máy Bộ truyền bánh Bánh D Bàn máy m Động thủy lực Động thủy lực Van servo Van servo c) d) Hành trình dịch chuyển Xilanh thủy lực Bàn máy e) g) Hình 3.2 Ứng dụng hệ điều khiển tự động thủy lực Các cơng trình nghiên cứu cơng bố hầu hết mơ hình nghiên cứu tính tốn giả thiết khối lượng chuyển động Trên mô hình động lực học hình 3.5b, ta có: - Phương trình mơ tả động thủy lực: D0m p Q d dt J0 Dm c f0 dp dt (3.1) M0 (3.2) p - Phương trình Laplace (3.1, 3.2): D0m p(s) Q(s) J 0s Dm f0 (s) (s) M0 (s) cs (3.3) p(s) - Sơ đồ khối thể hình 3.6 Q(s) M0(s) p(s) Ω0(s) Q(s)  J1.s f1 Dm0 c.s cs D0m J1.s Ω0(s) f1 C C R UT.L Dm Dm a) D D0m J1.s f1 Q(s) cs Ω0(s) m b) D Dm c) Hình 3.6 Sơ đồ khối Theo nguyên lý chồng chất (đối với hệ tuyến tính), cho M0(s) = để tìm mối quan hệ Ω0(s) Q(s), thể hình 3.6b - Hàm truyền sơ đồ khối rút gọn hình 3.6c là: D0m / (s) Q(s) [cJ / f0 (s) Q(s) Trong đó: D0m Dm f0 D0m Dm ]s J0 cf / (3.4) f0 D0m Dm s KW s / H (3.5) H/ H s KW- hệ số khuếch đại H- tần số dao động riêng 11 KW H D0m f0 f0 D0m Dm D0m Dm J0 CH J0 CH- độ cứng thủy lực CH f0 D0m Dm ; H- hệ số tắt dần Phương trình (3.5) khâu dao động nên mơ hình động lực học động thủy lực khâu dao động vẽ tương đương hình 3.7 0 M0 J0 n0 (Ω0, 0) CH Hình 3.7 Mơ hình động lực học động thủy lực Qua phân tích trên, ta thấy mơ hình nghiên cứu có hai khâu đàn hồi với độ cứng chống xoắn C1, CH có khối lượng quay giá trị mơ men qn tính khối lượng J1 J0 C C R UT.L 3.2 Thiết lập mơ hình tính tốn mơ tả tốn học hệ thống D Mơ hình tính tốn với giả thiết sau: ma sát trục quay trục rô to động thủy lực ma sát nhớt; Có hai giá trị mơmen qn tính khối lượng giá trị trục quay giá trị trục rôto động thủy lực; Bộ truyền đai truyền động từ trục quay đến cảm biến vận tốc coi khâu khuếch đại (do tải nhỏ nên gần khơng có đàn hồi); Mơ hình cịn tính đến biến dạng đàn hồi truyền đai thang truyền động từ trục rô to động thủy lực đến trục quay Từ đó, mơ hình tính tốn hệ truyền động thủy lực cho trục quay thể hình 3.8 Các phương trình mơ tả toán học hệ thống: Trên trục quay: - Phương trình cân mơ men trục quay: 12 F1 F2 r1 J1 d2 dt d1 dt f1 - Lực kéo dây đai: F1 - Tín hiệu phản hồi: F pt Dbt ) (3.6) M0 ; (M0=i.ML, ML k.(r0 r1 ); F2 K n n t K n n1; n t k.( r1 r0 ) n n1;( t 1) n1 (3.7) (3.8) Trong đó: 0- Góc quay trục quay; 1- Góc quay trục rơ to; r0, r1Bán kính bánh đai chủ động bị động; M 0- Mô men tạo tải trục quay; D0m - Thể tích riêng động thủy lực; B- Mô đun đàn hồi dầu; V1+V2- Thể tích dầu buồng làm việc; KV- Hệ số khuếch đại van nt n1(Ω1, 1) 1 n i  t 1 n1 r1 J1 M0 F2 F2 k k r0 Bộ truyền đai f1 n0(Ω0, 0)  D0m J0 DU 0 p C C R T.L Bộ truyền đai thang F1 F1 f0 Q, V2 C Q, V1 I Van tỷ lệ Bộ khuếch đại Bộ điều khiển KV I Kn -F E + u0 Hình 3.8 Mơ hình tốn tính đến biến dạng đàn hồi truyền đai thang Trên động thủy lực: - Phương trình cân mơ men trục rô to động thủy lực: D0m p J0 d2 dt f0 d dt F1 (3.9) F2 r0 - Phương trình cân lưu lượng động thủy lực: Q Dm d dt c dp dt p (c V1 V2 , Dm 2B D0m ) (3.10) - Lưu lượng qua van tỷ lệ (tổn thất lưu lượng van nhỏ nên 13 bỏ qua): Q = KV.I Biến đổi Laplace từ (3.6) đến (3.11), ta viết lại (3.12) (3.11) Từ phương trình (3.12), ta thiết lập sơ đồ khối mô tả mối quan hệ tín hiệu hệ thống, thể hình 3.9 mơ phần mềm Matlab/Simulink R2015a hình 3.10 2k.r1 r0 (s) J1.s 2k.r1.r0 (s) m D p(s) J s D0m p(s) J1.s r1 (s) f1.s f s (s) J s f s f1.s (s) M (s) 2k.r12 (s) M (s) 2k.r0 r0 (s) 2k.r02 (s) Q(s) D m s (s) c.s Q(s) K V I(s); F K n n1 (s); n1 (s) M (s) r1 (s) (3.12) 2k.r0 r1 (s) p (s) 30 (s); (s) s (s) C C R UT.L i1.M L (s); M L p t (s)D bt Dm.s u0(s) E(s) D I(s) Bộ điều khiển F(s) Q(s) KV 1(s) 0(s) D0m c.s   J s  f s  2k.r02 2k.r0.r1 J1.s  f1.s  2k.r12 n1(s) 30s  ML(s) M0(s) i1 D bt pt(s) 2k.r0.r1 Kn Hình 3.9 Sơ đồ khối mô tả hệ thống U_out Dm Gain4 p(s) To Workspace2 U(s) I(s) E(s) In1 Out1 Step F(s) FUZZY PID Kv Q(s) c.s+lambda Gain Transfer Fcn Dm0 Gain1 Theta0/dt Derivative1 J0.s +f0.s+2*k*r0^2 2*k*r0*r1 Theta0(s) Transfer Fcn1 Dbt Tai dot ngot i1 Gain9 1.65 Gain2 n1 Theta1(s) Vg/ph To Workspace Omega Theta1/dt (s) 30/pi J1.s2+f1.s+2*k*r1^2 Derivative Gain3 Transfer Fcn2 Gain8 Scope Tai ban dau 2*k*r0*r1 Gain7 Kn/1.2 Gain5 1/Kn n1_sp t_out Gain6 Clock To Workspace3 To Workspace1 Hình 3.10 Sơ đồ khối mơ Matlab/Simulink 3.3 Mô đáp ứng độ điều khiển tốc độ trục quay Bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ thể hình 3.11 14 e Bộ điều chỉnh mờ e KP Giá trị cài đặt + - KI Bộ điều khiển PID KD Bộ khuếch đại Động thủy lực + Tín hiệu Trục quay Cảm biến Hình 3.11 Sơ đồ khối điều khiển PID tự điều chỉnh mờ Bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ mô Matlab/Simulink thể hình 3.12 0.12 Gain Product 0.033 In1 0.0001 Constant du/dt Derivative s Integrator Out1 Product1 Gain1 Fuzzy self-tuning PID controller du/dt C C R UT.L 0.04 Gain2 Derivative1 Add Product2 Hình 3.12 Mơ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ D Hình 3.13 Đồ thị đáp ứng độ trục quay với tốc độ cài đặt 15 Đồ thị nghiên cứu mô điều khiển tốc độ trục quay điều khiển PID tự điều chỉnh mờ nghiên cứu với tải 0, tải thay đổi ban đầu tải thay đổi đột ngột Tuy nhiên, giới hạn tóm tắt chúng tơi thể trường hợp cài đặt tải ban đầu hình 3.13 Bảng tổng hợp giá trị khảo sát đáp ứng độ hệ thống thể bảng 3.1 Qua bảng tổng hợp 3.1, thấy năm tốc độ cài đặt hệ thống khơng có độ vọt lố, thời gian tăng nhỏ, nghĩa thời gian đáp ứng nhanh phù hợp với sở lý thuyết Bảng 3.1 Tổng hợp giá trị khảo sát Tốc độ trục quay giá trị cài đặt (vg/ph) Giá trị Đáp ứng khảo sát (vg/ph) Độ vọt lố (%) Thời gian trễ (s) Thời gian tăng (s) Thời gian xác lập (s) Sai số cận (%) Sai số cận (%) 0 1,189 2,318 0,43 0 1,189 2,316 0,46 C C R UT.L D 300 300 500 500 700 700 0 1,189 2,317 0,46 900 900 0 1,189 2,317 0,47 1100 1100 0 1,189 2,316 0,55 3.4 Kết luận chƣơng Kết nghiên cứu lý thuyết điều khiển tốc độ trục quay truyền động động thủy lực: 1) Phân tích tổng quan phương án truyền động để xây dựng mơ hình nghiên cứu điều khiển tốc độ trục quay [1, 4] 2) Mơ hình nghiên cứu thiết lập với giả thiết đặt không trùng lặp với cơng trình cơng bố Đó mơ hình hai khối lượng quay hai khâu đàn hồi [1] 3) Thiết lập mơ tả tốn học mối quan hệ tín hiệu 16 vào/ra hệ thống Từ biến đổi Laplace mô tả hệ thống sơ đồ khối để phục vụ cho việc mơ máy tính 4) Chọn điều khiển PID tự điều chỉnh mờ để điều khiển hệ thống nhiều tốc độ cài đặt khác 5) Mô đáp ứng độ tốc độ trục quay (hình 3.13) bảng tổng hợp số liệu (bảng 3.1) cho ta thấy hệ thống có thời gian xác lập nhanh, khơng có độ vọt lố sai số xác lập nhỏ (sai số cho phép ≤ [5%] theo tiêu đánh giá chất lượng động lực học hệ thống) Kết chứng tỏ mơ hình đề xuất hồn tồn phù hợp CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA TRỤC QUAY TRUYỀN ĐỘNG BẰNG ĐỘNG CƠ THỦY LỰC C C R UT.L Trên sở kết nghiên cứu lý thuyết chương Nội dung chương trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm độ ổn định tốc độ D trục quay Kết nghiên cứu bao gồm, chọn thiết bị thực nghiệm (nguồn thủy lực, van điều chỉnh điều khiển), chế tạo trục quay, chọn thiết bị điều khiển, lắp ráp mơ hình thực nghiệm viết chương trình điều khiển hệ thống Kết vẽ đồ thị đáp ứng độ tốc độ trục quay máy tính theo thời gian thực so sánh với kết nghiên cứu lý thuyết Ngoài ra, để khẳng định với thông số PID tự điều chỉnh mờ ứng dụng hệ thống hoạt động tốt chúng tơi cịn khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ dầu đến đáp ứng hệ 4.1 Mô hình thực nghiệm trục quay truyền động động thủy lực Sơ đồ nguyên lý thủy lực thể hình 4.1, sơ đồ khối hệ thống điều khiển hình 4.2 ảnh chụp mơ hình thực nghiệm thể hình 4.3 17 n1(Ω1, 1) 10 J1 11 pt i Lọc i1 n0(Ω0, 0) J0 n2(Ω2, 2) 1- Động điện; 2- Bộ truyền đai thang (i0); 3- Lọc dầu đường hút; 4- Bơm dầu; 5- Đồng hồ đo áp suất; 6- Lọc cao áp; 7- Ắc quy thủy lực; 8- Van tỷ lệ; 9- Cụm bơm tạo tải; 10- Trục quay; 11- Bộ truyền đai thang (i1); 12- Động thủy lực; 13- Van tràn van an toàn 12 p, Q pS pT QT p0 C C R UT.L nb D QS M 13 i0 nđc Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý thủy lực Tốc kế Bo Arduino Bộ DAC (Mega 2560) (4921) USB Động thủy lực Bộ khuếch đại Trục quay Cụm tạo tải Máy vi tính Matlab, IDE software Bộ truyền đai thang (Bơm + van) Van tỷ lệ Ắc quy thủy khí Lọc cao áp Nguồn thủy lực (Động điện, bơm dầu, lọc dầu, van tràn van an tồn, đồng hồ đo áp suất) Hình 4.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 18 n1 Hình 4.3 Ảnh chụp mơ hình thực nghiệm [1, 4] 4.2 Xác định thơng số điều khiển viết chƣơng trình điều khiển hệ thống C C R UT.L Qua thực nghiệm phạm vi tham số là: KP(0.033, 0.153), KI(0, 0.0001) KD(0, 0.04) Do đó, chúng D hiệu chỉnh khoảng (0,1) sau: K 'P K 'I K 'D KP K P max K P K P K I K Im in K Im ax K Im in K D K D K D max K D K P 0.033 , KP 0.153 0.033 KI , KI 0.0001 KD , KD 0.04 0.12K 'P 0.0001K 'I 0.033 (4.1) 0.04K 'D Chương trình điều khiển viết phần mềm IDE Quá trình điều khiển tốc độ trục quay theo thời gian thực vẽ đồ đáp ứng độ hệ thống [1] 4.3 Khảo sát thực nghiệm độ ổn định điều khiển tốc tộ trục quay Trên hình 4.4 tổng hợp kết khảo sát thực nghiệm điều khiển tốc độ trục quay 19 Hình 4.4 Khảo sát thực nghiệm điều khiển tốc độ trục quay C C R UT.L Qua bảng kết thực nghiệm tổng hợp ta thấy: Thời gian trễ nhỏ, khơng có vọt lố, thời gian đáp ứng nhanh sai số D xác lập ≤ 2% Giá trị đảm bảo phạm vi sai số cho phép đánh giá chất lượng động lực học hệ thống (≤ [5%]) Bảng 4.1 Tổng hợp giá trị khảo sát thực nghiệm Tốc độ trục quay cài đặt (vg/ph) Đáp ứng thực nghiệm (vg/ph) Độ vọt lố (%) Thời gian trễ (s) Thời gian tăng (s) Thời gian xác lập (s) Sai số cận (%) Sai số cận (%) 300 300 0,285 1,335 2,71 1,66 1,66 500 500 0,16 1,16 2,46 0,8 1,00 700 700 0,16 1,035 2,71 1,57 0,85 900 900 0,135 1,21 2,87 1,00 1,11 1100 1100 0,16 1,42 2,535 0,64 1,27 Giá trị 4.4 So sánh kết lý thuyết thực nghiệm Hình 4.5 đồ thị đáp ứng độ điều khiển tốc độ lý thuyết thực nghiệm Từ đó, thấy tính phù hợp 20 kết nghiên cứu đề xuất C C R UT.L Hình 4.5 So sánh đáp ứng độ lý thuyết thực nghiệm So sánh kết (bảng 3.1 4.1) đáp ứng lý thuyết thực D nghiệm, ta có số nhận xét sau: 1) Đáp ứng độ điều khiển tự động tốc độ trục quay giá trị cài đặt lý thuyết thực nghiệm gần giống Điều chứng tỏ rằng, kết nghiên cứu thực nghiệm phù hợp với kết nghiên cứu lý thuyết 2) Thời gian trễ đáp ứng thực nghiệm nhỏ Các cặp giá trị thời gian tăng, thời gian đáp ứng sai số xác lập có sai lệch khơng đáng kể 3) Các đáp ứng q độ tốc độ khơng có độ vọt lố bám sát giá trị cài đặt Đặc tính gần giống với đặc tính khâu quán tính (hệ bậc nhất) Điều phù hợp với đáp ứng theo tiêu chuẩn ITAE Qua kết nghiên cứu trên, thấy điều khiển PID tự điều chỉnh mờ phù hợp với mơ hình điều khiển hệ thống thủy lực trình bày [1] 21 4.5 Nghiên cứu ảnh hƣởng nhiệt độ dầu đến độ ổn định tốc độ trục quay Trên hình từ 4.6, thể đáp ứng độ hệ nhiệt độ thay đổi từ 450C đến 750C, điều khiển tốc độ trục quay 300 vg/ph, 700 vg/ph 900 vg/ph C C R UT.L D Hình 4.6 Đáp ứng tốc độ trục quay từ 45 0C đến 750C Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đến tốc độ trục quay, rút nhận xét sau: 1) Ở phạm vi thay đổi nhiệt độ dầu từ 450C đến 750C hệ thống cho đáp ứng dạng khâu quán tính, sai số xác lập đảm bảo phạm vi cho phép Tuy nhiên, nhiệt độ tăng dần thời gian tăng (tr) thời gian xác lập (tqđ) tăng Điều hoàn toàn phù hợp mặt lý thuyết, giải thích tượng nhiệt độ cao độ nhớt dầu giảm nên độ đàn hồi dầu tăng, ma sát dầu phận thủy lực giảm, tổn thất tăng v.v làm cho thời gian đáp ứng lâu 22 2) Trên tất đáp ứng thực nghiệm thấy tốc độ trục quay có dao động chế độ xác lập Tuy nhiên phạm vi dao động không 5% theo tiêu đánh giá đáp ứng độ hệ thống 4.6 Kết luận chƣơng Nghiên cứu thực nghiệm thực với kết sau: 1) Thiết kế hệ thống, chế tạo phận truyền động lắp ráp phần tử điều khiển thực ghép nối tương thích thiết bị điều khiển thiết bị chấp hành 2) Thiết lập thuật toán điều khiển PID tự điều chỉnh mờ xác định thông số điều khiển K’P, K’I K’D 3) Qua kết khảo sát thực nghiệm chứng tỏ tham số điều khiển K’P, K’I K’D tự động điều chỉnh mờ cho kết tốt 4) So sánh kết nghiên cứu thực nghiệm với kết nghiên cứu lý thuyết các đồ thị đáp ứng độ hệ gần giống nhau, sai lệch tiêu đáp ứng độ không đáng kể 5) Kết với nhiệt độ dầu thủy lực phạm vi thay đổi lớn từ 450C đến 750C Tuy nhiên, theo khuyến cáo nhà sản xuất, để tăng tuổi thọ làm việc dầu thủy lực nhiệt độ dầu làm việc tốt ≤ 700C C C R UT.L D KẾT LUẬN CHUNG Các kết đạt luận án: Về nghiên cứu lý thuyết: 1) Xây dựng mơ hình nghiên cứu lý thuyết điều khiển tốc độ cho trục quay truyền động động thủy lực Thiết lập mơ tả tốn học sơ đồ khối sở biến đổi Laplace đại số sơ đồ khối hệ thống (hình 3.10, mơ hình hệ bậc cao) 2) Mô đáp ứng độ nhiều tốc độ trục quay Về nghiên cứu thực nghiệm: Xác định tham số KP(0.033, 0.153), KI(0, 0.0001), 23 KD(0, 0.04) điều khiển PID tự động điều chỉnh mờ Giữa kết khảo sát thực nghiệm kết nghiên cứu lý thuyết gần giống nhau, nhờ điều khiển mà đáp ứng mơ hình thực nghiệm gần giống khâu quán tính (theo tiêu chuẩn ITAE) Tính đóng góp luận án: 1) Thiết lập giải tốn mơ hình nghiên cứu điều khiển tốc độ trục quay, truyền động động thủy lực với khối lượng quay hai khâu đàn hồi (hình 3.8) 2) Xây dựng điều khiển PID tự điều chỉnh mờ để điều khiển nhiều tốc độ cài đặt khác có kết đạt theo tiêu chuẩn (ITAE), kết phù hợp nhiệt độ dầu thay đổi phạm vi định [1] Khả ứng dụng đề tài: 1) Ứng dụng động thủy lực cho trục công tác chuyển động quay chuyển động thẳng qua truyền vít me-đai ốc (như hình 3.2) 2) Chủ động nắm vững công nghệ nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển thủy lực máy móc thiết bị Việt Nam Hướng nghiên cứu tiếp theo: 1) Nghiên cứu, khảo sát đặc tính áp suất hệ chuyển động quay 2) Ảnh hưởng tải thay đổi đột ngột đến đáp ứng độ 3) Nghiên cứu so sánh với phương pháp điều khiển khác 4) Tiếp tục nghiên cứu sâu để thử nghiệm ứng dụng cho máy chuyên dùng có tải lớn, công suất lớn Đề tài điều khiển tốc độ trục quay truyền động động thủy lực theo mơ hình đề tài đạt kết ban đầu Kính mong góp ý quý Thầy Đồng nghiệp để tiếp tục nghiên cứu sâu thực tế cho đề tài nghiên cứu C C R UT.L D 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ ĐƢỢC CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN T.N Hai, L Cung, N.V Dung (2019), An Investigation on Speed Control of a Spindle Cluster Driven by Hydraulic Motor: Application to Metal Cutting Machines, International Journal of Rotating Machinery (ISI-ESCI), volume 2019, Article ID 4359524 (https://doi.org/10.1155/2019/4359524) T.N Hai, T.Q Bang, V.N Thanh, H.T Tien, T.X Tuy (2018), Modeling of Position Control for Hydraulic Cylinder Using Servo Valve, Springer International Publishing AG, part of Springer Nature (Scopus Indexed), ISBN: 978-3-319-75419-3, 696-706 T.N Hai, V.N Thanh, T.X Tuy (2018), The Research On Position Response Of Table Transmission By Hydraulic Motor, Proceedings the first International Conference on Material, Machines and Methods for Sustainable Development (MMMS), ISBN: 978-604-95-0502-7, 481-488 T.N Hai, L Cung, N.V Dung (2017), Experimental Investigation of Speed Control of Hydraulic Motor Using Proportional Valve, IEEE International Conference on System Science and Engineering (Scopus Indexed), ISBN: 978-1-5386-3421-9 (ISSN Online: 2575-6028) Trần Ngọc Hải (2018), Nghiên cứu thiết kế chế tạo cụm trục truyền động thủy lực cho máy tiện, Đề tài Khoa học Công nghệ cấp bộ, mã số: B2016-DNA-28-TT T.N Hải, L Cung, V.N Thành (2018), Một số kết nghiên cứu, chế tạo máy tiện tự động có trục truyền động động thủy lực, Hội nghị KH & CN tồn quốc Cơ khí lần 5, ISBN: 978-604-67-1103-2, 194-202 T.N Hải, N.T Lý, T.X Tùy (2017), Nghiên cứu độ nhám bề mặt chi tiết gia cơng máy tiện trục truyền động động thủy lực, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ ĐHĐN, số 11, ISSN 1859-1531, 22-25 T.N Hải, L Cung, N.V Dũng (2016), Nghiên cứu thực nghiệm ổn định tốc độ trục máy tiện truyền động động thủy lực, Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần, số ISBN: 978-604-913-503-3, 494-499 Trần Ngọc Hải (2014), Nghiên cứu độ ổn định tốc độ trục máy tiện truyền động động thủy lực, Hội nghị Toàn quốc lần thứ Cơ điện điện tử, số ISBN: 978-604-913-306-0, 180-185 D C C R UT.L ... dụng truyền động động thủy lực rada; b) Ứng dụng truyền động động thủy lực robot; c) Ứng dụng truyền động động thủy lực điều khiển vị trí bàn máy qua truyền bánh - răng; d) Ứng dụng truyền động động... gian Điều khiển tốc độ động thủy lực cách điều khiển lưu lượng dầu qua van tỷ lệ Động thủy lực truyền động cho trục quay qua truyền đai thang Thiết bị đo tốc độ trục quay sử dụng tốc kế Tốc kế... chƣơng Kết nghiên cứu lý thuyết điều khiển tốc độ trục quay truyền động động thủy lực: 1) Phân tích tổng quan phương án truyền động để xây dựng mơ hình nghiên cứu điều khiển tốc độ trục quay [1,