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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - TRẦN NGỌC HẢI C C R L T NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA TRỤC QUAY TRUYỀN ĐỘNG BẰNG ĐỘNG CƠ THỦY LỰC DU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - TRẦN NGỌC HẢI C C R L T NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA TRỤC QUAY TRUYỀN ĐỘNG BẰNG ĐỘNG CƠ THỦY LỰC DU Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số ngành: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: Hƣớng dẫn 1: PGS.TS Lê Cung Hƣớng dẫn 2: GS TS Ngô Văn Dũng Đà Nẵng - Năm 2020 CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học : PGS.TS Lê Cung (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận án đƣợc báo cáo Trƣờng Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng ngày 18 tháng 10 năm 2020 C C Thành phần Hội đồng đánh giá Luận án gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng Luận án Tiến Sĩ) TT DU R L T Họ tên GS TS Trần Văn Nam PGS TS Nguyễn Huy Ninh TS Nguyễn Thanh Hải PGS TS Đinh Minh Diệm PGS TS Nguyễn Hữu Lộc TS Nguyễn Quận PGS TS Lƣu Đức Bình Chức da h Hội đồng Chủ tịch hội đồng Phản biện Phản biện Phản biện Ủy viên Ủy viên Thƣ ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận án sau Luận án đƣợc báo cáo sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận án LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết mô thực nghiệm nêu Luận án trung thực, thông số kết cấu đƣợc tham khảo tạp chí, sách chuyên khảo ngồi nƣớc Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận án đƣợc cảm ơn thông tin trích dẫn Luận án đƣợc rõ nguồn gốc Nghiên cứu sinh thực Luận án C C (Ký ghi rõ họ tên) R L T DU Trần Ngọc Hải LỜI CÁM ƠN Em xin bày tỏ tình cảm hƣớng dẫn PGS TS Lê Cung giúp đỡ phƣơng pháp, nội dung hƣớng nghiên cứu q trình thực Luận án, hƣớng dẫn hai GS TS Ngô Anh Dũng (Trƣờng Đại học Công nghệ ÉTS, Canada) cung cấp tài liệu nƣớc kịp thời Đồng thời cám ơn tập thể cán khoa Cơ khí, Khoa nhƣ học tập nƣớc giúp đỡ việc dịch thuật, góp ý phƣơng pháp tải tài liệu liên quan cho trình thực Luận án C C NCS Trần Ngọc Hải DU R L T TÓM TẮT Ngày nay, tự động hố q trình sản xuất tự động hố q trình cơng nghệ u cầu thiết trình chuyển tiếp từ cách mạng khoa học - kỹ thuật sang cách mạng khoa học - công nghệ, đặc biệt nƣớc ta hội nhập “Cách mạng Công nghiệp 4.0” Mặt khác, Việt Nam phấn đấu để trở thành nƣớc cơng nghiệp trình độ cơng nghệ sản xuất đƣợc đánh giá tiêu công nghệ tiên tiến Mà công nghệ tiên tiến đƣợc thể qua công nghệ, trang thiết bị chất lƣợng sản phẩm Cùng với phát triển kỹ thuật điều khiển tự động máy móc thiết bị, dây chuyền thiết bị đại nƣớc cơng nghiệp kỹ thuật điều khiển hệ thủy C C lực đƣợc nhà khoa học sản xuất giới quan tâm Bởi vì, hệ truyền động điều khiển hệ thủy lực có nhiều ƣu điểm, đƣợc ứng dụng rộng rãi nhiều R L T loại thiết bị, đặc biệt loại thiết bị có cơng suất lớn, ví dụ nhƣ: máy ép nhấn chuyên dụng, ép điều khiển số; robot công nghiệp; máy công cụ truyền thống, máy tự động DU chuyên dụng máy CNC; thiết bị quân sự, rađa; điều khiển tự động cánh hƣớng nhà máy thủy điện v.v Để nâng cao chất lƣợng điều khiển thiết bị nói chung nghiên cứu chất lƣợng động lực học hệ vấn đề cần thiết Động lực học hệ điều khiển thủy lực phức tạp liên quan đến nhiều yếu tố thay đổi trình làm việc (nhƣ độ nhớt, độ đàn hồi dầu, nhiệt độ dầu v.v) Qua tham khảo nhiều báo sách chuyên khảo quốc tế nhƣ nƣớc đƣợc công bố năm gần đề tài “Nghiên cứu điều khiển tốc độ trục quay truyền động động thủy lực” cần thiết phát triển lĩnh vực Việt Nam Mục tiêu đề tài nghiên cứu đáp ứng độ tốc độ trục quay cho mô hình hai khối lƣợng quay hai khâu đàn hồi, ứng dụng điều khiển PID tự điều chỉnh mờ để điều khiển tốc độ khác Về lý thuyết nghiên cứu mô máy vi tính, thiết lập đƣợc mơ tả tốn học, tìm mối quan hệ tín hiệu hệ thống lý thuyết điều khiển tự động Ứng dụng điều khiển PID tự động điều chỉnh mờ để nghiên cứu đáp ứng độ tốc độ trục quay tốc độ cài đặt khác Trong đó, thiết lập giao diện Matlab/ Guide trực quan, tích hợp thơng số kết cấu nhƣ thông số điều khiển hệ thống nhằm thuận lợi cho việc khảo sát xử lý số liệu Từ đó, xác định đánh giá đƣợc tiêu chất lƣợng thông qua đáp ứng độ hệ theo tiêu chuẩn ITAE Khi nghiên cứu mô với điều khiển thông số làm cho hệ bậc cao có đặc tính nhƣ hệ bậc Về nghiên cứu thực nghiệm thực ghép nối tƣơng thích thiết bị điều khiển thiết bị chấp hành để lắp ráp thành thiết bị nghiên cứu thực nghiệm Trong đó, tính tốn chọn nguồn truyền động, cấu tạo tải, van tỷ lệ, động thủy lực, cảm biến tốc độ v.v nhƣ nghiên cứu kết nối vi điều khiển Arduino với máy vi tính Trên sở kết nghiên cứu lý thuyết, thiết lập đƣợc thuật toán điều khiển C C PID tự điều chỉnh mờ xác định đƣợc thông số điều khiển mờ K’ P, K’I K’D R L T thực nghiệm Viết chƣơng trình điều khiển giao diện hệ thống, nhƣ xử lý, lƣu số liệu khảo sát vẽ đáp ứng độ điều khiển tốc độ trục DU quay đƣợc thực phần mềm IDE Matlab/Guide Khi điều khiển thiết bị thực nghiệm, tín hiệu phản hồi đƣợc truyền liên tục, theo thời gian thực vẽ đồ thị đáp ứng nhƣ lƣu số liệu máy vi tính suốt q trình thiết bị hoạt động Ngồi đề tài khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ dầu đến đáp ứng độ tốc độ trục quay sở thông số PID tự điều chỉnh mờ Nhờ điều khiển mà đáp ứng mơ hình thực nghiệm gần giống khâu quán tính tối ƣu nhƣ theo tiêu chuẩn ITAE Kết đề tài làm phong phú thêm loại mơ hình điều khiển hệ thủy lực chuyển động quay nói riêng nhƣ hệ điều khiển thủy lực nói chung Các kết nghiên cứu liên quan đến đề tài đƣợc công bố, gồm: 04 báo cáo khoa học đăng kỷ yếu hội nghị chuyên ngành nƣớc; 01 báo đăng tạp chí nƣớc; 01 đề tài KHCN cấp Bộ; 03 báo cáo khoa học đƣợc đăng kỷ yếu hội nghị quốc tế tạp chí chun ngành quốc tế, Scopus 01 báo đƣợc đăng tạp chí quốc tế (ISI-ESCI) MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cám ơn Tóm tắt Mục lục Danh mục ký hiệu từ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, hình ảnh, đồ thị Mở đầu 1 Lý chọn đề tài C C Mục tiêu nghiên cứu R L T Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu DU Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.1 Lịch sử phát triển hệ truyền động điều khiển tự động thủy lực 1.2 Các cơng trình đƣợc cơng bố có liên quan đến nội dung nghiên cứu 1.2.1 Hệ truyền động điều khiển tải trọng hệ thủy lực 1.2.2 Hệ truyền động điều khiển vận tốc hệ thủy lực 11 1.2.3 Hệ truyền động điều khiển vị trí hệ thủy lực 21 1.2.4 Các cơng bố có liên quan khác 23 1.3 Kết luận chƣơng 25 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC 28 2.1 Tổng quan hệ thống truyền động thủy lực 28 2.1.1 Cấu trúc hệ truyền động thủy lực 28 2.1.2 Các tính chất vật lý chất lỏng thủy lực 29 2.1.3 Động thủy lực 33 2.1.4 Van tỷ lệ van servo 36 2.1.5 Nguyên tắc tƣơng tự điện - thủy lực 41 2.2 Tổng quan hệ thống điều khiển thủy lực 42 2.2.1 Phân tích tổng quan lịch sử phân loại điều khiển hệ thống thủy lực 42 2.2.2 Đánh giá chất lƣợng hệ thống điều khiển 46 2.3 Kết luận chƣơng 49 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA TRỤC QUAY TRUYỀN ĐỘNG BẰNG THỦY LỰC 51 3.1 Xây dựng mơ hình nghiên cứu đáp ứng độ trục quay truyền động C C thủy lực 52 R L T 3.1.1 Phân tích tổng quan 52 3.2.2 Mơ hình nghiên cứu 54 DU 3.2 Thiết lập mơ hình tính tốn mơ tả tốn học hệ thống 58 3.2.1 Mô hình tốn bỏ qua biến dạng đàn hồi truyền đai thang 59 3.2.2 Mơ hình tốn có tính đến biến dạng đàn hồi truyền đai thang 62 3.3 Mô đáp ứng độ tốc độ hệ 65 3.3.1 Phân tích điều khiển 65 3.3.2 Thiết kế điều khiển PID tự điều chỉnh mờ 66 3.4 Khảo sát đáp ứng độ điều khiển tự động tốc độ trục quay 69 3.4.1 Các số liệu mô 69 3.4.2 Đáp ứng tốc độ trục quay 70 3.5 Kết luận chƣơng 80 CHƢƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA TRỤC QUAY TRUYỀN ĐỘNG BẰNG THỦY LỰC 82 4.1 Xây dựng mơ hình thực nghiệm trục quay truyền động động thủy lực 82 4.1.1 Tính tốn nguồn truyền động thủy lực 82 4.1.2 Chọn hệ thống truyền động điều khiển thủy lực 85 4.1.3 Chế tạo lắp đặt thiết bị thực nghiệm trục quay 93 4.2 Xác định thơng số điều khiển viết chƣơng trình điều khiển hệ thống 95 4.3 Khảo sát thực nghiệm độ ổn định điều khiển tốc tộ trục quay 97 4.4 So sánh kết lý thuyết thực nghiệm 102 4.5 Nghiên cứu ảnh hƣởng nhiệt độ dầu đến độ ổn định tốc độ trục quay 107 4.6 Kết luận chƣơng 110 KẾT LUẬN CHUNG 112 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐÃ ĐƢỢC CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 116 C C TÀI LIỆU THAM KHẢO 117 R L T PHỤ LỤC PHỤ LỤC DU T DU C C R L T DU C C R L T DU C C R L T DU C C R L T DU C C R L T DU C C R L T DU C C R L T DU C C R L T DU C C R L T DU C C R L T DU C C R L T DU C C R L T DU C C R L BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc VĂN BẢN BÁO CÁO BỔ SUNG, CHỈNH SỬA LUẬN ÁN TIẾN SĨ THEO NGHỊ QUYẾT CỦA HỘI ĐỒNG CẤP TRƯỜNG Họ tên nghiên cứu sinh: TRẦN NGỌC HẢI Đề tài luận án: Nghiên cứu điều khiển tốc độ trục quay truyền động động thủy lực Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 9520103 Người hướng dẫn khoa học: HD 1: PGS.TS Lê Cung HD 2: GS.TS Ngô Văn Dũng C C Căn vào: - Quyết định số 1524/QĐ-ĐHBK ngày 03/07/2020 trường Đại học Bách khoa việc thành lập Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường; R L - Biên Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường; T U - Nhận xét phản biện thành viên Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp D Trường; - Nghị Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường Nghiên cứu sinh bổ sung chỉnh sửa luận án với nội dung sau: Nội dung góp ý Giải trình bổ sung chỉnh sửa Ghi Ở trang Danh mục Hình vẽ, hình ảnh, đồ Danh mục thị, cột Tên gọi, ký hiệu hình vẽ, hình Đã chỉnh sửa [10], [46], [16]… tài liệu tham khảo ảnh, đồ thị không Ở trang danh mục ký hiệu từ viết tắt: + Đã bổ sung Danh mục + Các từ viết tắt PID, IAE, ISE, ITAE ký hiệu từ cần ghi tên đầy đủ tiếng Anh + Thời gian (tr, tqđ) có đơn vị viết tắt + Thời gian (tr, tqđ) có đơn vị “giây” “giây (s)” hay “s” Trong phần mục tiêu nghiên cứu, cần ngắt câu đoạn: …động thủy lực Lập Trang Đã chỉnh sửa mơ hình vật lý… để mục tiêu nghiên cứu rõ ràng Lỗi đánh máy mục Đã chỉnh sửa Trang Hình 1.1 với giải thích phía Đã chỉnh sửa Trang thích phía khơng trùng khớp Việt hóa hình vẽ chương 1: Đã Việt hóa (một số hình Trang 12, 14, Nội dung góp ý Giải trình bổ sung chỉnh sửa Ghi Hình 1.2, hình 1.4, hình 1.5, hình 1.6, vẽ lại) 16, 18, 19, 25 hình 1.7 hình 1.15 Hình 2.1 quan trọng, nên tăng kích thước Trang 28 Đã chỉnh sửa để phần tử cụm rõ ràng Công thức 2.3, 2.6, 2.7, 2.18, 2.32, 2.36,… bị lỗi, cách ghi tài liệu tham khảo Trang 30 đến Đã chỉnh sửa chưa đồng Ví dụ trang 32, vừa ghi trang 39 tên, vừa ghi năm ghi số tài liệu Các công thức {3.16: d2 d F1 F2 r1 J1 21 f1 M0 }, dt dt {3.19: Đã sửa lại (do lỗi in) Trang 63 d d D0m p J 20 f F1 F2 r0 } dt dt phương trình cân mơ men chưa phù hợp thứ nguyên Công thức {3.17: F1 k.(r0 r1 ); F2 k.( r1 r0 )Đã sửa lại (do lỗi in) Trang 63 } chưa xác Một số hình chương cần phóng to Trang 53, 55; để thấy rõ giá trị trục Trang 55 đến Đã chỉnh sửa (Từ hình 3.20 đến hình 3.26) Hình 4.6 trang 79; cần điều chỉnh lại Trang 89 Kết luận chung, tác giả cần tóm tắt xúc tích, tốt câu đơn gạch Trang 112 đến Đã chỉnh sửa đầu dòng Kết luận khả ứng trang 115 dụng nhiều Phần kết luận nêu kết đạt chủ yếu luận án, không Trang 112 đến Đã chỉnh sửa cần hình vẽ tài liệu tham khảo trang 115 Vì kết luận án Đã giải trình trước Hội Các câu hỏi góp ý khác đồng C C R L T DU CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ LUẬN ÁN TIẾN SĨ CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU SINH GS.TS Trần Văn Nam Trần Ngọc Hải ... KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA TRỤC QUAY TRUYỀN ĐỘNG BẰNG THỦY LỰC 82 4.1 Xây dựng mơ hình thực nghiệm trục quay truyền động động thủy lực 82 4.1.1 Tính tốn nguồn truyền động thủy lực ... tài ? ?Nghiên cứu điều khiển tốc độ trục quay truyền động động thủy lực? ?? cần thiết phát triển lĩnh vực Việt Nam Mục tiêu đề tài nghiên cứu đáp ứng độ tốc độ trục quay cho mô hình hai khối lƣợng quay. .. Lƣu lƣợng vào/ra động thủy lực Áp suất cửa vào van tỷ lệ Áp suất làm việc động thủy lực Áp suất bơm tạo tải Tốc độ rô to động thủy lực Tốc độ trục quay Tốc độ trục bơm tạo tải Tốc độ cảm biến Momen