Nghiên cứu xây dựng mô hình điều khiển vị trí của hệ thống xi lanh piston servo khí nén

PHAN VĂN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH : CƠ KHÍ NGÀNH CƠ KHÍ NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ CỦA HỆ THỐNG XI LANH – PISTON SERVO KHÍ NÉN PHAN VĂN 2005 - 2007 HÀ NỘI 2007 HÀ NỘI 2007 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHAN VĂN NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ CỦA HỆ THỐNG XI LANH – PISTON SERVO KHÍ NÉN CHUYÊN NGÀNH : MÁY VÀ DỤNG CỤ CƠNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CƠ KHÍ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS PHẠM VĂN HÙNG HÀ NỘI – 2007 MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ ĐẦU TRAN G CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ KHÍ NÉN 1.1 VÀI NÉT VỀ SỰ PHÁT TRIỂN 1.2 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN 1.3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG KHÍ NÉN 1.3.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.3.2 CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 1.3.3 PHẦN TỬ MẠCH LOGIC VÀ ĐIỀU KHIỂN PLC TRONG KHÍ NÉN 1.4 TRẠNG THÁI DỊNG KHÍ NÉN ĐƯỢC QUA MIỆNG XẢ LÝ TƯỞNG L.4.1 GIỚI THIỆU 1.4.2 TRẠNG THÁI NHIỆT ĐỘNG HỌC CHẤT KHÍ 1.4.3 MỘT SỐ KIỂU DỊNG CHẢY 1.4.4 MỘT SỐ CƠNG THỨC CƠ BẢN CỦA CHẤT KHÍ LÝ TƯỞNG 1.4.5 MỘT SỐ ĐIỀU KIỆN LIÊN QUAN ĐẾN DỊNG KHÍ LÝ TƯỞNG 1.4.6 DỊNG KHÍ ĐI QUA MIỆNG XẢ PHÌNH RA 1.4.7 DỊNG CHẢY ĐI QUA HỌNG THẮT - MỞ 1.4.8 TÍNH TỐN DỊNG CHẢY QUA HỌNG THOÁT LÝ TƯỞNG 10 10 10 11 11 13 19 CHƯƠNG - LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 2.1 KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 2.2 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 2.2.1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HỞ 2.2.2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KÍN 2.2.3 CÁC NGUYÊN TẮC CƠ BẢN CỦA ĐIỀU KHIỂN 2.3 ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ VÀ CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN 2.3.L ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ 2.3.2 CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 36 36 37 37 37 38 39 CHƯƠNG - NHẬN DẠNG VÀ MƠ HÌNH HĨA VAN TỶ LỆ VÀ XY LANH KHÍ NÉN 44 22 22 22 26 26 27 29 30 31 39 40 3.1 KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA VAN TỶ LỆ 5/3 3.1.1 GIỚI THIỆU 3.1.2 TÍNH TỐN LƯỢNG KHÍ NÉN ĐIỀU KHIỂN VAN 3.1.3 MƠ PHỎNG CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA VAN TỶ LỆ 5/3 3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA QUÁ TRÌNH MA SÁT 3.2.1 GIỚI THIỆU 3.2.2 MA SÁT TIẾP XÚC 3.2.3 MỘT SỐ MÔ HÌNH MA SÁT 3.2.4 NHẬN DẠNG MA SÁT 3.3 MƠ PHỎNG CƠ CẤU DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN 3.3.L GIỚI THIỆU 3.3.2 CƠ CẤU DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN 3.3.3 PISTON VÀ KHẢ NĂNG MANG TẢI 3.3.4 MƠ PHỎNG Q TRÌNH HOẠT ĐỘNG CỦA XY LANH 3.4 MƠ PHỎNG TỒN BỘ HỆ THỐNG 44 CHƯƠNG - XÂY DỰNG MƠ HÌNH BÀI TOÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU DẪN ĐỘNG KHÍ NÉN 4.1 ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ 4.1.1 KÍCH THÍCH TÍN HIỆU 4.1.2 MƠ HÌNH KHƠNG GIAN TRẠNG THÁI CỦA HỆ THỐNG SERVO VỊ TRÍ KHÍ NÉN 4.1.3 KHẢ NĂNG ĐIỀU KHIỂN VÂ QUAN SÁT 4.1.4 TRẠNG THÁI PHẢN HỒI 4.1.5 CỰC THAY THẾ (POLE PLACEMẸNT) 4.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH BÀI TỐN ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ 78 CHƯƠNG - THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN SERVO VỊ TRÍ CHO CỤM XYLANH KHÍ NÉN 5.1 XÂY DỰNG CÁC PHẦN TỬ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THỰC NGHIỆM 5.1.1 CƠ CẤU CHẤP HÀNH 5.1.2 CÁC PHẦN TỬ XỬ LÍ 5.1.3 MẠCH ĐIỀU KHIỂN 5.1.4 BỘ PHẬN TẠO NĂNG LƯỢNG 5.2 MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN 5.2.1 SƠ ĐỒ MẠCH 5.2.2 GIAO DIỆN MÀN HÌNH VÀ MÃ NGUỒN CHO CHIP 8051 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 85 44 46 49 52 52 52 56 59 64 64 64 66 66 68 78 78 79 80 81 82 82 85 85 85 86 86 87 87 89 106 107 Luận văn thạc sỹ khoa học LI CM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS TS Phạm Văn Hùng tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu trình nghiên cứu làm luận văn PGS dành nhiều thời gian, công sức giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy Cô giáo Bộ môn Máy Ma sát học, Khoa Cơ khí, Trường ĐHBK Hà nội tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn toàn b khúa hc Hc viờn Phan Vn Luận văn thạc sü khoa häc DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu ý nghĩa Đơn vị NHIỆT ĐỘNG HỌC CHẤT KHÍ v Vận tốc m/s A Diện tích m2 t Thời gian s p áp suất tuyệt đối Pa R Hằng số khí Nm/(Ks.K) ρ Tỷ trọng chất khí kg/m3 T Nhiệt độ phịng K u Nhiệt độ riêng J/kg υ Thể tích riêng m3/kg Cυ Nhiệt độ riêng số thể tích J/kg.K Cp Nhiệt độ riêng số áp suất J/kg.K κ Hằng số đẳng Entropy s Entropy riêng J/kg.K m Khối lượng khí kg DỊNG CHẢY NÉN ĐƯỢC c Tốc độ âm Mn Số Mach ψ Hệ số lưu lượng ψT Hệ số lưu lượng miệng xả lý tưởng ψC Hệ số lưu lượng nạp van ψD Hệ số lưu lượng xả van b Tỷ lệ áp suất tới hạn m/s HỆ THỐNG KHÍ NÉN PS ỏp sut ngun bar Luận văn thạc sỹ khoa học u Điện áp điều khiển v US Điện áp bão hoà điều khiển van v U0 Điện áp vùng chết v M Khối lượng tổng cộng bàn trượt kg L Chiều dài xy lanh m x Vị trí trượt m QUÁ TRÌNH MA SÁT FN Lực tác dụng N Ff Lực ma sát N FC Lực ma sát Coulomb N FS Lực ma sát tĩnh N vs Vận tốc Stribeck m/s z Trạng thái biến thiên nhám bề mặt Fh Lực ma sát trễ N Fb Lực ma sát trễ điểm bắt đầu đường cong chuyển tiếp N Fd(Z) Hàm ma sát trễ N σ0 Độ cứng tuyệt đối σ1 Hệ số ma sát ướt phân tử σ2 Hệ số ma sát ướt MƠ HÌNH MA SÁT KHẢO SÁT z Chiều cao nhấp nhơ trung bình đàn hồi mm zb Chiều cao nháp nhơ trung bình đàn hồi lại điểm bị phá vỡ mm k Hệ số cứng tuyệt đối N/mm F Lực N δ Hệ số mũ ma sát Stribeck FC1 Lực ma sát Coulomb tăng tốc độ N FC2 Lực ma sát Coulomb giảm tốc độ N σ1 Hệ số ma sát ướt tăng tốc độ N/(m/s) σ2 Hệ số ma sỏt t gim tc N/(m/s) Luận văn thạc sü khoa häc ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ P Ma trận chuyển mơ hình khơng gian trạng thái Q Ma trận đầu vào mơ hình khơng gian trạng thái R Ma trận đầu mơ hình khơng gian trạng thái x Vectơ trạng thái u Tín hiệu vào s Giá trị biến đổi Laplace xd Vectơ trạng thái mong muốn uff Tín hiệu cấp G Hàm truyền y Vị trí y m x Vị trí x m Luận văn thạc sỹ khoa học DANH MC CC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ mạch điều khiển xy lanh Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển phần tử mạch điều khiển Hình 1.3: Cấu trúc mạch điều khiển phần tử Hình 1.4: Nguyên lý hoạt động van đảo chiều & ký hiệu cửa nối Hình 1.5: Ký hiệu loại van chắn Hình 1.6: Ký hiệu van tiết lưu Hình 1.7a: Kí hiệu xi lanh tác dụng đơn Hình 1.7b: Ký hiệu xi lanh khơng có cần piston Hình 1.7c: Xilanh màng (Hãng EFFBE) Hình 1.8: Các phần tử mạch logic Hình 1.9: Cấu trúc điều khiển PLC Hình1.10: Minh họa chu trình làm việc PLC Hình 1.11: Các ví dụ kiểu ngơn ngữ lập trình PLC Hình 1.12: Thể tích qui ước để xác định dịng khí đẳng Entropy Hình 1.13: Biểu thị mối quan hệ A với M trường hợp khí lý tưởng A* đẳngEntropy với κ = 1,4 Hình 1.14: Đặc tính dịng chảy qua họng thắt có biến thiên áp suất ngược Hình 1.15: Đường biểu diễn áp suất qua miệng xả thắt – mở Hình 1.16: Dịng khí qua miệng xả lý tưởng  p2    p1  Hình 1.17: Hệ số lưu lượng lý tưởng ψ  Hình 2.l: Sơ đồ chức hệ thống điều khiển tự động Hình 2.2: Sơ đồ khối phần tử hệ điều khiển tự động Hình 2.3: Sơ đồ điều khiển hệ hở Hình 2.4: Sơ đồ hệ điều khiển kín Hình 2.5: Các trạng thái làm việc hệ điều khiển tự động Hình 2.6 Sơ đồ phân tích chất lượng hệ điều khiển tự động Hình 2.7 Đặc tính đáp ứng độ Hình 3.1: Cấu tạo van tỷ lệ 5/3 Hình 3.2: Sơ đồ van tỷ lệ 5/3 với hệ thống phản hồi tín hiu Luận văn thạc sỹ khoa học Hỡnh 3.3: Sự vận hành van 5/3 Hình 3.4: Tác động diện tích Aeff đến dịng khí qua cổng 1, Hình 3.5: Tác động diện tích Aeff đến dịng khí qua cổng 1, Hình 3.6: Tác động diện tích Aeff đến dịng khí qua cổng 2, Hình 3.7: Tác động diện tích Aeff đến dịng khí qua cổng 4, Hình 3.8: Sơ đồ van tỉ lệ 5/3 vói hệ thống phản hồi tín hiệu Hình 3.9: Mơ hình mơ Matlab Simulink van Servo Hình 3.10: Mơ áp suất tỷ lệ khối lượng qua van tỷ lệ Hình 3.11: Mô tả bề mặt tiếp xúc tế vi hai khối rắn Hình 3.12: Mơ tả q trình tiếp xúc thực hai bề mặt cơng nghệ Hình 3.13: Trạng thái đàn hồi vùng tiếp xúc Hình 3.14: Trạng thái tổng quát lực ma sát Hình 3.15: Hiện tượng trễ lực ma sát Hình 3.16: Đường cong Stribeck - Các miền biểu phụ thuộc hệ sốma sát vào áp suất vận tốc trượt Hình 3.17: Hiện tượng ma sát bề mặt tiếp xúc Hình 3.18: Cơ chế trễ ma sát cua dịch chuyển ban đầu Hình 3.19: Gia tốc đo Hình 3.20: Lực phá vỡ khoảng dịch chuyển theo hai hướng Hình 3.21: Tuyến tính hóa nhánh trễ dịch chuyển ban đầu Hình 3.22: Đồ thị biểu phụ thuộc ma sát vào vận tốc Hình 3.23: Xy lanh khí nén khơng có đẩy Hình 3.24: Biểu diễn thơng số xy lanh khí nén Hình 3.25: Mơ hình mơ cấu xy lanh khí nén Hình 3.26: Mơ áp suất tương ứng nạp – xả buồng xy lanh Hình 3.27: Sơ đồ mơ tồn q trình Hình 3.28: Khối block Simulink mơ tồn q trình Hình 3.29: Biểu diễn kết mơ q trình với tải nhẹ Hình 3.30: Biểu diễn kết mơ q trình với tải trung bình Hình 3.31: Biểu diễn kết mơ q trình với tải lớn Hình 4.l: Sơ đồ khối hệ thống servo vị trí khí nén Hình 4.2: Graph tín hiệu hệ thống servo vị trí khí nén Hình 4.3: Hệ điều khiển khớ nộn vi b iu khin Luận văn thạc sỹ khoa häc %========================================================= function [sys,xo,str,ts] = mld1InitializeSizes % % Call function simsizes to create th sizes structure sizes=simsizes %Load the size sizes.NumContStates =0; sizes.NumDiseStates = 8; sizes.NumOutputs = l; sizes.NumInputs = 5; sizes.DirFeedthrough=1 sizes.NumSample Times =1 % Load the sys vector with the sizes information sys = simsizes(sizes); % xo = [0;0;0;0;0;0;l;0;0;l]; str = [ ]; % No states ordering ts = [-l 0]; % Inherited sample time % % END OF mdlInitializeSizes % % %=========mdlUpdate============= % Handle the discrete state update %============================== function sys = mdlUpdate(t,x,u) % % Input of the subroutirle mdlUpdate: a=u(l); % Acceleration v=u(2); % Velocity v=u(3); % Position PS=u(4); % Gauge supply pressure [bar] Luận văn thạc sỹ khoa học Ff=u(5); % Friction force [N] % % Calculating the breakaway force C1=2.4198; C2=69.9922; fb=C1*PS+C2; % % Calculating the breakaway distance A0 = 0.37356117112913*l0^(-3); A1 = -0.03125673934543*l0^(-3); A2 = 0.01542746815173*l0^(-3); A3 = -0.00037604200442*l0^(-3); A4 = 0.00000402884045*l0~3); A5 = -0.00000001291713*l0^(-3); A=[A5 A4 A3 A2 A1 A0]; F_break=[fb^5;fb^4;fb^3;fb^2;fb;l]; z_sheft=A*F_break; f2=l23.70; K2=131.58; zb0=(2*fb-f2)/K2; % % F=abs(Ff); F_Ff=[F^5;F^4;F^3;F^2;F;l]; z_inverse=A*F_Ff; y=y*l0^3; % Converting the position from unit [m] to [mm] % % Updating the States % x(l): old_direction % x(2): POSIT, position at motion reversal [mm] % x(3): S_min, stack minimum % x(4): S_max stack maximum Luận văn thạc sỹ khoa häc % x(5): z,average deflection of the asperity junction [m] % x(6): count, count the motion leversals, the number of times % z=0 % x(7): z_break,the breakaway distance [m] % x(8): V_max the max velocity [m/s] % old_direction=x(l); POSIT=x(2) S_min=x(3); S_max=x(4); z=x(5); count=x(6); z_break=x(7); V_max=x(8); direction=sign(v); % % Zero or negative acceleration % if a 0.0 S_min=F; S_max=F; POSIT=POSIT; Luận văn thạc sỹ khoa học z=POSIT-abs(y); z_break=zb0; end % % The slider is moving from rest to the positive direction % elseif old_direction==0 & direction>0 count=count; POSIT=POSIT; z=z_sheft+abs(y); zb=zb0-z_sheft; z_break=zb if z=zb z=zb; z_break=zb; S_min=F; S_max=fb; end old_direction=direction; % % The slider is moving in the positive direction % elseif old_direcrion>0 & direction>0 POSIT=POSIT; count=count; z=POSIT-abs(y); z-break=zb0; zb=zb0;%thieu if z=zb z_bleak=zb0; zb=z_break S_min=S_min; S_max=F; end old_direction=direction; % % The slider is moving from the negative direction to the positive % direction % elseif old_direction0 POSIT=abs(y); z=0.0; count=count+l; z_break=zb0; S_max=fb; S_min=F; old_direction=direction; end % % Positive acceleration % elseif a>0 % % The slider is at rest % if old direction==0 & direction==0 POSIT=abs(y) count=count; Luận văn thạc sỹ khoa học z=z_sheft; S_min=fb; S_max=fb; z_break=zb0-z_sheft; zb=z_break; old_direction=direction; % % The slider is moving from rest to the positive directio % elseif old_direction ==0 & direction>0 count = count; POSIT-POSIT; z=z_sheft+abs(y); z_break=zb0-z_sheft; zb=z-break; if z=zb z=zb; z_break=fb; S_min=fb; S_max=fb; end old_direction=direction; % % The slider is moving in the positive direction % elseif old_direction>0 & direction>0 POSIT=POSIT; count=count; Luận văn thạc sü khoa häc if count==0 z=z_sheft+abs(y); z_break=zb0-z_sheft; elseif count==1.0 z=POSIT-abs(y); z_break=zb0; zb=z_break; elseif count>1.0 z=POSIT-abs(y); z_break=zb0; zb=z_break; end if z=zb z=zb; z_break =zb0; S_max=fb; S_minx=zb; end old_direction=direction; % % The slider is moving in the positive direction to rest % elseif old_direction>0 & direction==0 POSIT=abs(y); z=0.0; count=count+l; S_min=F; S_max=fb; z_break=zb0; Luận văn thạc sỹ khoa học zb=z_break, old_direction=direction; % % The slider is moving from rest to the negative direction % elseif old_direction==0 & direction0 & direction