Nghiên cứu ứng dụng mô hình ma sát trong mô phỏng và điều khiển xy lanh khí nén

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hệ thống truyền động khí nén (TĐKN) ứng dụng rộng rãi ngành cơng nghiệp hệ thống có nhiều ưu điểm chi phí thấp, vận tốc hoạt động lớn, sạch, dễ bảo trì thay thế, nguồn khí cung cấp rẻ sẵn có Hệ thống TĐKN ưu tiên sử dụng môi trường có nhiệt độ, độ ẩm cao chịu tác động từ trường, điện trường, phóng xạ Tuy nhiên, hệ thống TĐKN có đặc tính động lực học phức tạp phi tuyến bậc cao tính nén khơng khí, đặc tính phi tuyến van khí lực ma sát cấu chấp hành (CCCH) khí nén Ma sát thường tồn bề mặt phớt làm kín bề mặt tiếp xúc CCCH khí nén Ma sát ảnh hưởng lớn đến động lực học điều khiển hệ thống truyền động khí nén Ma sát gây chu kỳ giới hạn, chuyển động dínhtrượt khơng mong muốn, giảm hiệu suất hoạt động hệ thống giảm chất lượng điều khiển hệ thống TĐKN Vấn đề nghiên cứu nâng cao hiệu suất hoạt động nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống TĐKN phụ thuộc phần lớn vào việc nghiên cứu xây dựng mơ hình ma sát CCCH khí nén Đến nay, nhiều mơ hình ma sát đề xuất cấu chấp hành khí nói chung với CCCH khí nén nói riêng Tuy nhiên, việc nghiên cứu lựa chọn mơ hình ma sát phù hợp sử dụng mô điều khiển hệ thống TĐKN số mơ hình ma sát phát triển chưa thực Do đó, tác giả luận án lựa chọn thực đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng mơ hình ma sát mô điều khiển xy lanh khí nén” để giải vấn đề khoa học quan trọng cịn tồn Mục đích nghiên cứu Luận án Nghiên cứu tập trung vào hai mục tiêu sau: 1) Nghiên cứu lựa chọn mơ hình ma sát phù hợp sử dụng mô hệ thống TĐKN; 2) Nghiên cứu xây dựng phương pháp điều khiển điều khiển vị trí xy lanh khí nén dựa mơ hình ma sát   Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu Luận án hệ thống TĐKN tỉ lệ, sử dụng ứng dụng yêu cầu điều khiển xy lanh khí nén điểm dừng trung gian (của pít-tơng) mong muốn Đối tượng thử nghiệm cụ thể hệ thống thực nghiệm thiết kế phịng thí nghiệm Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu giới hạn với hệ thống TĐKN tỉ lệ sử dụng xy lanh tác động hai phía có đường kính pít-tơng 25 mm, hành trình lớn 300 mm, áp suất nguồn khí nén thay đổi lớn đến  105 N/m2 tải tác dụng lên xy lanh tối đa kg Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Trong Luận án này, hai phương pháp nghiên cứu sử dụng, bao gồm: phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Để thực mục tiêu nghiên cứu thứ nhất, nghiên cứu sinh xây dựng hệ thống thực nghiệm TĐKN điều khiển tỉ lệ hệ thống sử dụng hai van tỉ lệ lưu lượng khí nén, xy lanh khí nén, cảm biến vị trí tuyến tính, hai cảm biến áp suất Các đặc tính hoạt động hệ thống vị trí xy lanh, áp suất khoang xy lanh lực ma sát đo đạc, tính tốn phân tích điều kiện hoạt động khác tín hiệu đầu vào van tỉ lệ khí nén Tiếp đến, nghiên cứu sinh xây dựng mơ hình tốn học tồn hệ thống tích hợp mơ hình ma sát lựa chọn Trong nghiên cứu luận án, nghiên cứu sinh lựa chọn ba mơ hình ma sát: mơ hình ma sát trạng thái ổn định, mơ hình ma sát LuGre, mơ hình ma sát LuGre cải tiến Nghiên cứu sinh dụng phần mềm MATLAB/Simulink mô đặc tính hoạt động hệ thống với điều kiện hoạt động thực nghiệm để so sánh đánh giá ảnh hưởng mơ hình ma sát lựa chọn Đối với mục tiêu nghiên cứu thứ hai, nghiên cứu sinh xây dựng điều khiển mới: Bộ điều khiển trượt đa mặt trượt kết hợp bù ma sát dựa mô   hình ma sát động LuGre Đầu tiên, nghiên cứu sinh xây dựng mơ hình tốn học hệ thống phù hợp với phương pháp điều khiển trượt đa mặt trượt tín hiệu điều khiển xây dựng dựa tín hiệu điều khiển đa mặt trượt kết hợp với bù ma sát Tiếp theo, nghiên cứu sinh khảo sát tính ổn định hệ thống để đưa điều kiện ổn định thông số điều khiển Nghiên cứu sinh xây dựng chương trình mơ sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink để đánh giá điều khiển đề xuất điều kiện khác đầu vào vị trí mong muốn, tải áp suất nguồn Sau đó, nghiên cứu sinh đánh giá điều khiển thực nghiệm với đầu vào mong muốn khác Một hệ thống thực nghiệm xây dựng cho mục đích Ý nghĩa khoa học thực tiễn Luận án 5.1 Ý nghĩa khoa học Kết nghiên cứu đóng góp sở khoa học lĩnh vực Máy tự động thủy khí, bao gồm: 1) Làm rõ phạm vi ảnh hưởng ba mơ hình ma sát (mơ hình ma sát trạng thái ổn định, mơ hình ma sát LuGre, mơ hình ma sát LuGre cải tiến) mô động lực học hệ thống TĐKN; 2) Lựa chọn mơ hình ma sát phù hợp ba mơ hình ma sát khảo sát mô động lực học hệ thống TĐKN; 3) Bổ sung phương pháp điều khiển vị trí pít-tơng xy lanh khí nén điểm dừng trung gian mong muốn 4) Xây dựng chương trình mơ động lực học chương trình mô điều khiển hệ thống TĐKN điều khiển tỉ lệ phần mềm MATLAB/Simulink; 5.2 Ý nghĩa thực tiễn Kết nghiên cứu ứng dụng thực tiễn để: 1) Nâng cao hiệu việc tính tốn, thiết kế lựa chọn phần tử máy hệ thống TĐKN điều khiển tỉ lệ nói riêng hệ thống TĐKN nói chung;   2) Nâng cao chất lượng điều khiển máy dây chuyền tự động khí nén cơng nghiệp Những đóng góp Luận án Nghiên cứu có đóng góp sau: 1) Đánh giá ảnh hưởng ba mơ hình ma sát bao gồm mơ hình ma sát trạng thái ổn định, mơ hình ma sát động LuGre mơ hình ma sát động LuGre cải tiến đến khả mô đặc tính hoạt động hệ thống TĐKN; 2) Chỉ mơ hình ma sát LuGre cải tiến mơ hình ma sát phù hợp số ba mơ hình khảo sát cho CCCH khí nén việc mơ đặc tính hoạt động hệ thống TĐKN; 3) Đề xuất phương pháp điều khiển sử dụng phương pháp điều khiển phi tuyến kết hợp với bù ma sát cải thiện chất lượng điều khiển vị trí pít-tơng xy lanh khí nén Bố cục Luận án Luận án gồm phần mở đầu, bốn chương nội dung, kết luận tài liệu tham khảo Chương 1: Giới thiệu tổng quan; Chương 2: Các mơ hình ma sát sử dụng nghiên cứu luận án Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng mơ hình ma sát mơ động lực học xy lanh khí nén; Chương 4: Nghiên cứu ứng dụng mơ hình ma sát điều khiển vị trí píttơng xy lanh khí nén   CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan hệ thống truyền động khí nén 1.1.1 Ứng dụng hệ thống truyền động khí nén Hệ thống truyền động khí nén sử dụng rộng rãi hầu hết lĩnh vực công nghiệp lĩnh vực công nghiệp ô tô, xây dựng, giao thông hàng hải hàng không, ngành in, ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, hóa chất, dầu khí, rơ-bốt, y học, v.v 1-4 Hình 1.1 hình ảnh số ứng dụng hệ thống truyền động khí nén lĩnh vực khác Các hệ thống truyền động khí nén sử dụng rộng rãi có nhiều ưu điểm sau:  Kết cấu đơn giản dễ bảo dưỡng;  Độ an toàn làm việc cao mơi trường dễ cháy, nổ, làm việc mơi trường khắc nghiệt (phóng xạ, hóa chất…);  Vận tốc hoạt động cấu chấp hành cao Vận tốc pít-tơng xy lanh khí nén đạt 15 m/s (hoặc cao hơn) vận tốc quay trục số động khí nén lên đến 100000 vịng/phút 4;  Nguồn khơng khí cung cấp rẻ, có sẵn thân thiện với mơi trường;  Có khả làm việc tự động theo chương trình với điều khiển từ xa Tuy nhiên, hệ thống truyền động khí nén có số nhược điểm sau 1:  Các hệ truyền động khí nén thường có kích thước lớn so với hệ thủy lực có cơng suất;  Tính nén khơng khí lớn, ảnh hưởng đáng kể tới chất lượng làm việc hệ thống;  Do vận tốc cấu chấp hành khí nén lớn nên dễ xảy va đập cuối hành trình;  Việc điều khiển theo quy luật vận tốc cho trước dừng vị trí trung gian…cũng khó thực xác hệ thống thủy lực;    Khi làm việc, hệ thống khí nén gây ồn so với hệ thống thủy lực… a) Trong công nghiệp ô tô 5 b) Trong lĩnh vực rô-bốt 6 c) Trong y học 7 d) Trong lĩnh vực hàng không 8 e) Trong số lĩnh vực công nghiệp khác 9 Hình 1.1 Hình ảnh số ứng dụng hệ thống truyền động khí nén   1.1.2 Phân loại hệ thống truyền động khí nén Các ứng dụng hệ thống truyền động khí nén hầu hết xếp vào loại hệ thống truyền động – tự động khí nén làm việc theo chu trình Đây hệ thống truyền động mà sau ta khởi động, hệ thống tự động làm việc, thực cách tuần tự, liên tục, nhắc lại bước công nghệ một, từ bước bước cuối chu trình cơng nghệ áp đặt kết thúc bước cuối quay trở lại bước đầu Hệ thống dừng hoạt động có tín hiệu báo dừng có cố phá hủy hoạt động bình thường Khi thiết kế hệ điều khiển cho hệ thống ta quan tâm đến việc cấu chấp hành dừng vị trí điểm đầu, điểm cuối, số điểm dừng trung gian xác định thực chu trình hoạt động u cầu mà khơng quan tâm đến vị trí trung gian cấp chấp hành [1] Đối với ứng dụng truyền động-tự động khí nén làm việc theo chu trình, cấu chấp hành có kích cỡ lớn hành trình dài thường sử dụng cấu chấp hành hoạt động tốc độ cao Điều khiển hệ thống truyền động khí nén làm việc theo chu trình thường dễ thực dựa phương pháp điều khiển logic Hệ thống điều khiển sử dụng phần tử khí nén, phần tử điện, kết hợp điện -khí nén tùy vào nhu cầu ứng dụng Trong thực tế, yêu cầu thường gặp hệ truyền động khí nén phải cho phép cấu chấp hành dừng vị trí trung gian với độ xác vị trí cao ví dụ ứng dụng hệ thống-tự động khí nén máy CNC, rô bốt hỗ trợ phẫu thuật người bệnh, số công đoạn dây chuyền lắp ráp tự động, máy đo đạc xác,… Trong trường hợp người ta phải sử dụng hệ truyền động khí nén điều khiển số hệ truyền động khí nén tỉ lệ Điều khiển vị trí độ xác cao điểm dừng trung gian mong muốn với CCCH khí nén hệ thống TĐKN thường khó hệ thống TĐKN biết đến hệ thống phức tạp phi tuyến bậc cao tính nén chất khí, đặc tính phi tuyến van khí, đặc biệt ảnh hưởng ma sát tồn CCCH khí nén 2 Ma sát thường tồn phớt làm kín pít-tơng/cần píttơng bề mặt tiếp xúc cấu chấp hành khí nén ảnh hưởng lớn đến động lực học điều khiển hệ thống TĐKN Ma sát gây chu kỳ giới hạn, chuyển động dính-trượt khơng mong muốn làm giảm hiệu suất   chất lượng điều khiển hệ thống TĐKN Do đó, việc nghiên cứu hiểu rõ đầy đủ đặc tính ma sát CCCH khí nén xây dựng mơ hình ma sát phù hợp CCCH khí nén cần thiết để nâng cao khả thiết kế hệ thống truyền động khí nén để nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống TĐKN Trong phần sau trình bày nghiên cứu tổng quan mơ hình ma sát nói chung hệ thống khí nói chung, mơ hình ma sát đề xuất hệ thống TĐKN nói riêng nghiên cứu tổng quan mô điều khiển hệ thống TĐKN 1.2 Tổng quan nghiên cứu phát triển mơ hình ma sát Hiện tượng ma sát biết đến từ hàng trăm năm trước 10-12 Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật, có nhiều cơng trình nghiên cứu ma sát đưa mơ hình tốn học ma sát Đầu tiên, mơ hình ma sát Leonardo da Vinci (1493) Guillaume Amonton (1699) đề xuất Charles Augustin de Coulomb (1785) phát triển, gọi mơ hình ma sát Coulomb, lực ma sát tỉ lệ thuận với lực pháp tuyến, ngược chiều chuyển động không phụ thuộc vào diện tích mặt tiếp xúc 10-12 Mơ hình ma sát Coulomb mơ tả Hình 1.2 đặc tính ma sát Coulomb (FC) Hình 1.3a Osborn Reynolds [13] giới thiệu thêm thành phần ma sát tính nhớt chất lỏng gây tỉ lệ với vận tốc Thuật ngữ ma sát nhớt (Fv) sử dụng cho thành phần đặc tính ma sát Hình 1.3b Arthur Morin [14] giới thiệu ý tưởng lực ma sát trạng thái nghỉ có giá trị lớn ma sát Coulomb gọi ma sát Hình 1.2 Lực ma sát mặt tiếp xúc hai vật: F – ngoại lực tác dụng lên vật, N – lực pháp tuyến, v – vận tốc chuyển động, Fr – lực ma sát, x – vị trí   Hình 1.3 Các đặc tính ma sát: a) Ma sát Coulomb (FC); b) Mơ hình ma sát Coulomb (FC) kết hợp ma sát nhớt (Fv); c) Mô hình ma sát tĩnh (Fs) kết hợp mơ hình ma sát Coulomb (FC) ma sát nhớt (Fv)11 tĩnh (Fs) (Hình 1.3c) Ma sát tĩnh chống lại lực bên ngồi giữ đối tượng khơng chuyển động Sự kết hợp ma sát Coulomb, ma sát nhớt (Fv) thành phần ma sát tĩnh (Fs) dẫn đến mơ hình ma sát sử dụng rộng rãi kỹ thuật trình bày Hình 1.3c Các mơ hình ma sát Hình 1.3 coi mơ hình ma sát cổ điển Các mơ hình ma sát cổ điển bao gồm thành phần số tuyến tính với vận tốc Richard Stribeck [15] đo phụ thuộc vào vận tốc ma sát với ổ bi cầu nhận ma sát giảm tăng vận tốc giai đoạn vận tốc thấp xác định Hiện tượng gọi “hiệu ứng” Stribeck Dạng đường cong Stribeck trình bày Hình 1.4 Hình 1.4 Đường cong Stribeck – quan hệ lực ma sát vận tốc [15,16]   Đường cong Stribeck chia thành giai đoạn bôi trơn khác nhau: Ma sát tĩnh, bôi trơn giới hạn, bôi trơn phần chất lỏng bôi trơn hoàn toàn chất lỏng Giai đoạn ma sát tĩnh giai đoạn trước trượt, khơng có dịch chuyển q trình bơi trơn chưa xảy Giai đoạn bơi trơn giới hạn giai đoạn có dịch chuyển q trình bơi trơn bề mặt bắt đầu xảy (vận tốc chưa đủ lớn để tạo thành màng bôi trơn hai bề mặt tiếp xúc) Giai đoạn bôi trơn phần chất lỏng giai đoạn bôi trơn phần, vận tốc chuyển động đủ lớn chất bôi trơn chuyển động theo tạo màng bôi trơn hai bề mặt tiếp xúc Giai đoạn bơi trơn hồn tồn chất lỏng xuất hai bề mặt bị phân cách hồn tồn lớp màng bơi trơn [16] Một số mơ hình tốn học ma sát đề xuất [17] để mơ tả đường cong Stribeck Mơ hình ma sát trạng thái ổn định bao gồm thành phần ma sát Coulomb, ma sát nhớt, ma sát nhớt ma sát tĩnh Mơ hình ma sát ứng dụng rộng rãi mơ đặc tính ma sát hệ thống khí Mặt khác, ma sát quan sát thực nghiệm có đặc tính động học Các đặc tính ma sát động như: khoảng dịch chuyển trước trượt, chuyển động “dính – trượt”, tượng “trễ”, thay đổi lực “đứt – gãy” “độ trễ” Hình 1.5 18 Các đặc tính động học ma sát quan sát thực nghiệm mơ mơ hình ma sát động Dahl (1960s) 19,20 giải thích quan hệ ma sát tương tự ứng suất trượt vật liệu Đối với vật thể chịu tác dụng để chuyển dịch nhỏ so với nhau, Dahl thấy vật hồi vị trí ban đầu Dahl so sánh tượng với quan hệ vật liệu đàn hồi giống lò xo, xuất lực liên kết hai bề mặt Mơ hình ma sát Dahl mơ hình ma sát động đơn giản bao gồm ma sát Coulomb với “độ trễ” thay đổi lực ma sát chuyển động thay đổi Mơ hình mô tả tượng dịch chuyển trước trượt, “độ trễ” sử dụng chuyên sâu mô hệ thống hàng không vũ trụ 21 Một số mơ hình ma sát sử dụng kỹ thuật xây dựng 22 để mô tả phản ứng kết cấu bê tông chịu tác dụng kích thích địa chấn Cơ sở chủ yếu để xây dựng đặc tính 10   33 printf("Exceed data size"); 34 fclose(fpw); 35 return; 36 } 37 if ( (DATA2=(float *) malloc(sizeof(float)*SIZE) )==NULL) { 38 printf("Exceed data size"); 39 fclose(fpw); 40 return; 41 } 42 if ( (DATA3=(float *) malloc(sizeof(float)*SIZE) )==NULL) { 43 printf("Exceed data size"); 44 fclose(fpw); 45 return; 46 } 47 if ( (DATA4=(float *) malloc(sizeof(float)*SIZE) )==NULL) { 48 printf("Exceed data size"); 49 fclose(fpw); 50 return; 51 } 52 if ( (DATA5=(float *) malloc(sizeof(float)*SIZE) )==NULL) { 53 printf("Exceed data size"); 54 fclose(fpw); 55 return; 56 } 57 if ( (DATA6=(float *) malloc(sizeof(float)*SIZE) )==NULL) { 58 printf("Exceed data size"); 59 fclose(fpw); 60 return; 61 } 62 if ( (DATA7=(float *) malloc(sizeof(float)*SIZE) )==NULL) { 63 printf("Exceed data size"); 64 fclose(fpw); 65 return; 66 } 67 if ( (DATA8=(float *) malloc(sizeof(float)*SIZE) )==NULL) { 68 printf("Exceed data size"); 69 fclose(fpw); 70 return; 71 } 72 if ( (DATA9=(float *) malloc(sizeof(float)*SIZE) )==NULL) { 122   73 printf("Exceed data size"); 74 fclose(fpw); 75 return; 76 } 77 for (i=0; i=0) 225 u1=2.7+u; 226 u2=2.3-u; 227 if (u=4.98) u1 =4.98; 231 if (u1=4.98) u2 =4.98; 126   233 if (u2