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

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 dính-trượt 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 điều khiển tỉ lệ, sử dụng ứng dụng yêu cầu điều khiển vị trí pít-tơng xy lanh khí nén điểm dừng trung gian 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 mơ 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 mơ 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 mô 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 píttơng xy lanh khí nén điểm dừng trung gian mong muốn 4) Xây dựng chương trình mơ động lực học chương trình mơ 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 mô 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 mơ 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 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.4 Tổng quan nghiên cứu mô điều khiển xy lanh khí nén Như vậy, mơ giúp rút ngắn việc thiết kế hệ thống truyền động khí nén Kết thực nghiệm phương pháp điều khiển phi tuyến kết hợp với bù ma sát cho thấy có cải thiện đáng kể so điều khiển không bù ma sát Đặc biệt phương pháp điều khiển trượt đa mặt trượt cho kết điều khiển vị trí pít-tơng xy lanh khí nén tốt Đồng thời phương pháp điều khiển cho thấy hiệu khả áp dụng hệ thống khí nén Vì vậy, nghiên cứu luận án sử dụng phương pháp điều khiển trượt đa mặt trượt kết hợp bù ma sát với mục đích cải thiện đặc tính điều khiển vị trí pít-tơng xy lanh khí nén tính thích nghi điều khiển điều kiện tác động bên đến xy lanh thay đổi CHƯƠNG CÁC MƠ HÌNH MA SÁT SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU 2.1 Mơ hình ma sát trạng thái ổn định Phương trình lực ma sát trạng thái ổn định: Fr  Fc   Fs  Fc  e   v / vs  n   2v (2.1)   đó, Fs - lực ma sát tĩnh (N), Fc - lực ma sát Coulomb (N), vs - vận tốc Stribeck (m/s), n - số mũ ảnh hưởng đến độ dốc đường cong Stribeck, 2 - hệ số ma sát nhớt (Ns/m), v - vận tốc tương đối tiếp tuyến hai bề mặt tiếp xúc (m/s) Fr Fs Fc -vs -Fc vs v -Fs Hình 2.1 Đặc tính ma sát trạng thái ổn định Hình 2.3 Mơ hình biến dạng sợi liên kết hai mặt tiếp xúc 2.2 Mô hình ma sát LuGre Độ lệch trung bình sợi liên kết đàn hồi ký hiệu z (Hình 2.3) định nghĩa sau:  z dz (2.2) v v dt g (v ) đó, 0 - độ cứng sợi liên kết đàn hồi (N/m), g(v) - hàm Stribeck viết sau: n (2.3) g ( v )  Fc   Fs  Fc  e  ( v / vs ) Lực ma sát có dạng: dz (2.4) Fr   z     2v dt đó, 1 - hệ số ma sát nhớt sợi liên kết đàn hồi (Ns/m) 2.7 Mơ hình ma sát LuGre cải tiến (RLuGre) Mơ hình tốn học ma sát có dạng sau: dz F ( z) (2.5) v v dt g (v, h ) g  v , h   Fc   1  h  Fs  Fc  e   v / v s  dz dv   2 v  T Fr  F ( z )    dt dt   n (2.6) (2.7)   đó, T - số thời gian động lực học ma sát chất lỏng (s), h - chiều dày màng bôi trơn không thứ nguyên xác định sau: dh   hss  h  dt  h (2.8)  hp  v  0, h  hss    h   hn  v  0, h  hss   v  0  h K v 23  v  vb   f hss    K f vb  v  vb  K f  1  Fc / Fs  vb 2 (2.9) (2.10) (2.11) đó, hss - tham số độ dày màng bôi trơn trạng thái ổn định không thứ nguyên, Kf - số tỉ lệ thuận cho độ dày màng bôi trơn (m/s)3/2, vb - vận tốc mà độ dày màng bơi trơn thay đổi (m/s), hp, hn h0 - số thời gian cho giai đoạn tăng tốc, giảm tốc dừng tương ứng (s) Ở trạng thái ổn định, lực ma sát xác định bởi: Frss  Fc   1  hss  Fs  Fc  e   v / vs  n   v (2.12) CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MƠ HÌNH MA SÁT TRONG MƠ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC XY LANH KHÍ NÉN 3.1 Xây dựng hệ thống thực nghiệm truyền động khí nén điều khiển tỉ lệ 3.1.1 Hệ thống thực nghiệm Trên Hình 3.2 sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động khí nén thực nghiệm Hệ thống TĐKN thực nghiệm sử dụng hai van tỉ lệ lưu lượng điện – khí nén để điều khiển xy lanh khí nén   Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống TĐKN điều khiển tỉ lệ thực nghiệm 3.2 Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống truyền động khí nén điều khiển tỉ lệ 3.2.1 Phương trình lưu lượng van tỉ lệ lưu lượng điện – khí nén Phương trình lưu lượng khí nén hai van tỉ lệ theo tín hiệu điện áp ui (i= 2) điều khiển van viết sau:  k K v1 (u1  2.5) 2.5(V )  u1  5(V )  1b ps RTs  (3.16) m k   k  p K (u  2.5) 0(V )  u1  2.5(V )  1e RT V 1   k K v (u2  2.5)  b ps RTs  m k   k  p K (u  2.5)  e RT V 2  2.5(V )  u2  5(V ) (3.17) 0(V )  u2  2.5(V ) đó: ps, p1 p2 – tương ứng áp suất khí nén nguồn, áp suất khoang xy lanh (N/m2), k số đoạn   nhiệt chất khí, Ts, T1 T2 - tương ứng nhiệt độ khí nén nguồn, khoang xy lanh (0K), KV1, KV2 - số van (m2/V), KV = AVmax/umax, u1 u2 - tín hiệu điện áp điều khiển van (V), diện tích cửa lưu thơng van tỉ lệ với tín hiệu điều khiển van ui: Ai = KVi.(ui – 2.5), (i = 1; 2; KVi số van), 1b, 1e, 2b 2e - hệ số xác định sau: k 1 1 k k  p1   k 1   p1  k  p1  k    1   k   p  ps  ps  k   s     1b   k  k 1 p   0.58   ps  k    k 1    patm  k  k   p     1e    0.58  k 1    p2 k   k   p   s  2b    0.58   patm     ps  1 k k k 1 patm   k 1   p1  k   patm   k 1   p1  k   p2   k 1   ps  k   p2   k 1   ps  k   k  p2     ps  1 k k k 1 k k 1 1 k k  patm   k 1   patm  k  patm  k       k   p  p2  p2  k       2e   k  k 1 p   atm 0.58   p2  k    patm – áp suất khí (patm = bar) 3.2.2 Các phương trình tốn học xy lanh khí nén Phương trình áp suất động khoang xy lanh    Phương trình áp suất động khoang hai trường hợp cấp xả khí viết sau:    sign (u1  2.5)  kRT1 k   1b ps    RTs    A1 x  V01 dp1 kA1 p1   x  K v1 (u1  2.5)   sign( u  2.5) dt A1 x  V01 k   kRT1     p  A x  V 1e RT    01   Phương trình áp suất khoang hai trường hợp cấp xả khí có dạng:    sign (u2  2.5)  RkT1 b ps  k    A  L  x   V RT  dp2 kA2 p1 02 s   x     K v (u2  2.5) dt A2  L  x   V02 k      sign(u2  2.5)  RkT1 e p1    A2  L  x   V02 RT2    Phương trình chuyển động pít-tơng Từ Định luật II – Newton, ta có phương trình chuyển động pít-tơng có dạng: d 2x M  p1 A1  p2 A2  Fr (2.54) dt đó: M - tải khối lượng qui pít-tơng (kg), x – độ dịch chuyển pít-tơng (m), A1, A2 – tương ứng diện tích hữu ích pít-tơng phía khơng có cần phía có cần (m2), Fr - lực ma sát 3.4 Kết nghiên cứu ảnh hưởng mơ hình ma sát đến mơ động lực học xy lanh khí nén 3.4.2 Kết thực nghiệm đặc tính động lực học xy lanh khí nén Các điều kiện ban đầu q trình thực nghiệm: Tại thời điểm t = 0, pít-tơng vị trí ban đầu, x = 0, v = 0, a = 0, p1 = 0, p2 = Nhiệt độ phịng thí nghiệm: 22 0C (295 0K) a) Thực nghiệm với tín hiệu điều khiển van dạng bước Tín hiệu điện điều khiển hai van có giá trị nhỏ: u1 = 2.875 VDC, u2 = 2.19 VDC (pít-tơng thực hành trình thuận), píttơng chuyển động khơng liên tục (Hình 3.16a) Khi tăng tín hiệu u1 (u1 = 2.99 VDC) giảm u2 (u2 = 2.09 VDC), pít-tơng chuyển động liên tục (Hình 3.17a)   Hình 3.16 Các đặc tính đo đạc tính tốn xy lanh với u1 = 2.875 VDC; u2 = 2.19 VDC M = 0.5 kg Hình 3.17 Các đặc tính đo đạc tính tốn xy lanh với u1 = 2.99 VDC; u2 = 2.09 VDC M = 0.5 kg b) Thực nghiệm với tín hiệu điều khiển van hình sin Hình 3.18 kết thực nghiệm với tín hiệu điều khiển van u1 = 2.5 + 0.5sin(2ft) (VDC) u2 = 2.5 – 0.4sin(2ft) (VDC), tần số f = 0.2 Hz, M = 0.5 kg Đặc tính vị trí pít-tơng thau đổi tương ứng với tần số tín hiệu điều khiển van (Hình 3.18a) biên độ vị trí có xu hướng tăng nhẹ sau chu kỳ Lực ma sát thay đổi theo dạng hình sin thay đổi lực ma sát lặp lại chu kỳ (Hình 3.18d) 10     Hình 3.18 Các kết đo đạc tính tốn điều kiện hoạt động u1 =2.5 + 0.5sin(2ft) (VDC), u2 = 2.5 – 0.4sin(2ft) (VDC), f = 0.2 Hz; M = 1.5 kg 3.4.3 Kết nghiên cứu mơ ảnh hưởng mơ hình ma sát Trong nghiên cứu luận án lựa chọn Matlab/Simulink làm công cụ mô số sử dụng mô hình ma sát trạng thái ổn định (mơ hình ma sát SS), mơ hình ma sát LuGre mơ hình ma sát LuGre sửa đổi mơ Hình 3.19 trình bày so sánh kết đo đạc, tính tốn   Hình 3.19 Các kết đo đạc, tính tốn mơ xy lanh với u1 = 2.875 VDC, u2=2.19 VDC 11   xy lanh thực nghiệm mơ với ba mơ hình ma sát, tín hiệu điều khiển van u1 = 2.875 VDC, u2 = 2.19 VDC, tải M = 0.5 kg Mơ hình ma sát RLuGre mơ đầy đủ số giai đoạn dừng chuyển động pít-tơng so với thực nghiệm (Hình 3.16a) Hình 3.20 so sánh kết đo đạc, tính tốn xy lanh thực nghiệm mơ với ba mơ hình ma sát, tín hiệu điều khiển van u1 = 2.5 + 0.5sin(2ft) (VDC), u2 = 2.5 – 0.4sin(2ft), tần số f = 0.2 Hz, tải M = 0.5 kg Hình 3.20 Các kết đo đạc, tính tốn mơ xy lanh với f = 0.2 Hz   Hình 3.21 Các kết đo đạc, tính tốn mô xy lanh với f = Hz 12   Hình 3.21 đặc tính xy lanh thực nghiệm mô với ba mô hình ma sát, tín hiệu điều khiển van u1 = 2.5 + 0.5sin(2ft) (VDC), u2 = 2.5 – 0.4sin(2ft), tần số f = Hz, tải M = 0.5 kg Từ kết mơ thu từ Hình 3.18 đến 3.21 xác minh mơ hình RLuGre tốt cho xy lanh khí nén ba mơ hình ma sát xem xét nghiên cứu CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH MA SÁT TRONG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ PÍT-TƠNG XY LANH KHÍ NÉN 4.1 Thiết kế điều khiển xy lanh khí nén với bù ma sát 4.1.1 Xây dựng mơ hình tốn học hệ thống truyền động khí nén theo tín hiệu điều khiển Tín hiệu điều khiển van u1 u2 tính từ luật điều khiển u sau: u1  2.5  u , u  2.5  u (4.1) Đặt x1  x; x2  x1 x3  p1 A1  p2 A2 , ta có: F x3  r M M Lấy vi phân x3 theo thời gian biến đổi, thu được: x3  F (x, t )  G (x, t )u x1  x2 , đó: x   x1 x2 x2  (4.2) (4.3) x3  véc tơ trạng thái F (x, t )   k A 12 p1 x k A 22 p2 x  V1 V2 (4.4) 1  sign(u )   1b ps KV 1A1  e p2 KV A        V1 V2     G (x, t )  k kRT 1  sign(u )   p K A  p K A   1e V   2b s V    V V2     4.1.2 Lựa chọn phương pháp điều khiển Trong nghiên cứu luận án, phát triển điều khiển trượt đa mặt trượt (bộ điều khiển MSSC) kết hợp bù ma sát dựa mơ hình ma sát LuGre (bộ điều khiển đề xuất) Hình 4.1 sơ đồ khối điều khiển đề xuất 13   Hình 4.1 Sơ đồ khối điều khiển đề xuất 4.1.3 Thiết kế điều khiển Lựa chọn ba mặt trượt ba trạng thái hệ thống, gồm: vị trí, vận tốc gia tốc pít-tơng Phương trình mặt trượt có dạng: si = xi – xid (4.16) đó, xid giá trị mong muốn xi Các giá trị x2d x3d xác định sau: s x2d  x1d  k1 (4.19) 1 s x3d  Mx2d  Fˆr  k2 2 (4.20) Fˆr lực ma sát ước tính, ước tính dựa mơ hình ma sát LuGre: dzˆ Fˆr   zˆ     x2 (4.21) dt dzˆ  zˆ  x1  x1  k3s1 (4.22) dt g ( x1 ) Luật điều khiển hệ thống có dạng sau: 1 s  (4.33) u   x3dk  F ( x, t )  k4  ˆ 3  G 4.1.4 Phân tích tính ổn định hệ thống Phân tích ổn định HTTĐKN sử dụng điều khiển trượt đa mặt trượt có bù ma sát dựa Lý thuyết ổn định 14   Lyapunov Trong đó, điều kiện hội tụ mặt trượt phân tích, từ rút thơng số điều khiển sau: k1  2  1 với 1  ,   k2  M max  3  Fs  2  với 2  , M  M  k3  k4  2 2 , g  x1  1  1max    1  1max  x3dk max  5  3  với 1min  3  4.2 Nghiên cứu mô đánh giá điều khiển 4.2.1 Chương trình mơ đánh giá điều khiển Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink thực mô điều khiển với điều khiển MSSC điều khiển trượt đa mặt trượt có bù ma sát 4.2.2 Kết mơ đánh giá điều khiển Hình 4.4 kết mô điều khiển với đầu vào x1d = 0.25 m Bộ điều khiển đề xuất cho kết bám x1d nhanh (0.26 s) so với điều khiển MSSC (0.5 s) Sai số vị trí tuyệt đối lớn điều kiện ổn định hai điều khiển nhỏ, 0.001 m (Hình 4.4b) hai điều khiển không tạo độ vượt x1d trình độ Hình 4.4 Mơ điều khiển với x1d = 0.25 m, ps = bar Mô điều khiển với điều khiển đề xuất điều kiện nêu trên, đầu vào mong muốn thay đổi: x1d = 0.01 m, 0.1 m, 0.2 m (hành trình thuận pít-tơng – Hình 4.5) x1d = 15   0.01m, 0.1 m; 0.25 m (hành trình nghịch pít-tơng – Hình 4.6), áp suất ps = bar, tải M = 0.5 kg Hình 4.5 Hình 4.6 Bảng 4.2 Các sai số vị trí mơ điều khiển điều khiển đề xuất với đầu vào bước khác Đầu Hành trình thuận Hành trình nghịch pít-tơng pít-tơng vào x1d Sai số Sai số emax Sai số  Sai số  (m) emax (m) (m) (%) (%) 0.01 0.0005 5% 0.0005 5% 0.1 0.0005 0.5% 0.0005 0.5% 0.2 0.0005 0.25% 0.25 0.0005 0.2% 0.00075 0.3% Từ kết Bảng 4.2, Hình 4.4 4.5 cho thấy tất trường hợp khảo sát, sai số vị trí tương đối lớn 5% ứng với x1d nhỏ Sai số giảm nhỏ 0.5% tăng x1d 16   Ngoài ra, sai số vị trí tuyệt đối thay đổi nhỏ phạm vi 0.0005 ÷ 0.00075 m với tất trường hợp xét Mô điều khiển với điều khiển MSSC điều khiển đề xuất điều kiện: ps = bar, M = 0.5 kg, đầu vào mong muốn thay đổi dạng hình sin x1d = 0.15 + 0.1sin (2ft) m, tần số thay đổi f = 0.1 Hz (Hình 4.7), Hz (Hình 4.8) Hình 4.7 Mô điều khiển với f = 0.1 Hz Hình 4.8 Mơ điều khiển với f = Hz Các giá trị sai số vị trí tuyệt đối lớn trạng thái ổn định điều khiển đề xuất 0.0015 m (tần số 0.1 Hz, Hình 4.7b) 0.004 m (tần số Hz, Hình 4.8b) Trong đó, giá trị sai số lớn trạng thái ổn định điều khiển MSSC 0.005 m (tần số 0.1 Hz) 0.009 m (tần số Hz) Mô điều khiển đề xuất với x1d = 0.15 + 0.1sin(2ft) m, f = 0.5 Hz, M = 0.5 kg giữ khơng đổi, thay đổi áp suất nguồn khí nén bar, bar bar (Hình 4.10) Sai số vị trí tuyệt đối lớn điều kiện ổn định trường hợp ps lớn bar 0.01 m (Hình 4.10b) Với điều kiện x1d = 0.15 + 0.1sin(2ft) m, f = 0.5 Hz, ps = bar, thay đổi tải khối lượng M = 0.5, kg Kết mô điều khiển với điều khiển đề xuất Hình 4.11 thấy sai số vị trí tuyệt đối lớn điều kiện ổn định trường hợp tải thử lớn kg 0.004 m (Hình 4.11b) 17   Hình 4.10 Mơ điều khiển với ps thay đổi Hình 4.11 Mơ điều khiển với M thay đổi 4.3 Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá điều khiển 4.3.2 Kết thực nghiệm đánh giá điều khiển Áp suất nguồn khí ps đặt bar, tải khối lượng M = 0.5 kg Tín hiệu đầu vào vị trí pít-tơng mong muốn khơng đổi x1d = 0.25 m, thực điều khiển với hai điều khiển đề xuất MSSC Hình 4.13a kết điều khiển với hành trình thuận Hình 4.13b với hành trình nghịch pít-tơng Hình 4.13 Kết thực nghiệm điều khiển với x1d = 0.25 m Kết điều khiển cho thấy rằng, hai điều khiển cho kết bám tốt x1d với sai số vị trí tuyệt đối lớn trạng thái ổn định nhỏ 0.001 m Với điều khiển đề xuất, pít-tơng từ vị trí ban đầu bám tới x1d = 0.25 m nhanh so với trường hợp sử dụng điều khiển MSSC Hình 4.14 4.15 kết điều khiển điều khiển hành trình thuận nghịch pít-tơng với x1d khơng đổi khác nhau, từ đầu vào vị trí nhỏ 0.01 m đến 0.25 m, ps = bar, M = 0.5 kg Từ Hình 4.14 4.15 cho thấy khoảng thời gian trễ mà pít-tơng khơng dịch chuyển ban đầu giảm dần x1d tăng lên Khi x1d tăng lên, lưu lượng khí ban đầu cấp vào 18   xy lanh lớn giảm thời gian trễ pít-tơng Bảng 4.3 kết sai số vị trí hai hành trình pít-tơng Hình 4.14 Kết hành trình thuận pít-tơng Hình 4.15 Kết hành trình nghịch pít-tơng Bảng 4.3 Các sai số vị trí điều khiển điều khiển đề xuất với đầu vào bước khác Đầu Hành trình thuận Hành trình nghịch pít-tơng pít-tơng vào x1d Sai số Sai số emax Sai số  Sai số  (m) emax (m) (m) (%) (%) 0.01 0.0005 5% 0.0006 6% 0.1 0.0005 0.5% 0.001 1% 0.2 0.00075 0.375% 0.25 0.0008 0.32% 0.002 0.8% Sai số vị trí tuyệt đối tương đối hành trình thuận pít-tơng tất trường hợp có giá trị đầu vào 19   mong muốn nhỏ so với sai số hành trình nghịch pít-tơng Hình 4.16 4.17 kết điều khiển hệ thống truyền động khí nén hai điều khiển MSSC điều khiển đề xuất với x1d = 0.15 + 0.1sin(2ft) m, f = 0.1 Hz, ps = bar M = 0.5 kg Đầu tiên, thời gian mà pít-tơng xuất phát từ vị trí ban đầu bám tới x1d 0.2 s, ngắn so với 0.4 s điều khiển MSSC Thứ hai, sai số vị trí tuyệt đối lớn trạng thái ổn định điều khiển đề xuất giảm đáng kể đến giá trị 0.005 m (Hình 4.17b), tương ứng với sai số vị trí tương đối 2.5% Hình 4.16 Kết điều khiển với điều khiển MSSC Hình 4.17 Kết điều khiển với điều khiển đề xuất Bảng 4.4 Kết điều khiển với A khác nhau, f = 0.1 Hz Sai số emax (m) (Sai số  %) Bộ điều Bộ điều khiển MSSC khiển đề xuất 0.01 0.0022(11%) 0.005(25%) 0.025 0.0032(6.4%) 0.0061(12.2%) 0.05 0.0045(4.5%) 0.0067(6.7%) 0.075 0.005(3.33%) 0.007(4.67%) 0.1 0.005(2.5%) 0.008(4%) Biên độ vị trí A (m) Sai số  (m) (Sai số t, %) Bộ điều khiển Bộ điều đề xuất khiển MSSC 0.0012(6%) 0.0014(2.8%) 0.0016(1.6%) 0.0018(1.2%) 0.0021(1.05%) 0.0025(12.5%) 0.0027(5.4%) 0.003(3.0%) 0.0032(2.13%) 0.0037(1.85%) 20   Từ Bảng 4.4 cho thấy với điều khiển đề xuất, sai số vị trí tuyệt đối giảm 14% sai số trung bình bình phương tuyệt đối giảm 6.5% so sánh sai số với điều khiển MSSC Sai số vị trí tuyệt đối lớn đạt với biên độ vị trí mong muốn A = 0.01 m 0.0022 m Hình 4.20 kết điều khiển với biên độ đầu vào vị trí pít-tơng mong muốn A = 0.1 m khơng đổi, tần số f = 0.5 Hz Hình 4.20 Kết điều khiển với tần số f = 0.5 Hz: a-b) Với điều khiển MSSC, c-d) Với điều khiển đề xuất Từ Bảng 4.5 cho thấy sai số vị trí tuyệt đối lớn đạt đến 0.005 m (sai số vị trí tương đối 2.5%) Các sai số vị trí tăng lên theo tần số Hình 4.21 kết điều khiển với đầu vào x1d = 0.15 + 0.1sin(2ft) m, f = 0.1 Hz, M = 0.5 kg không đổi, ps = bar Bảng 4.5 Các sai số vị trí pít-tơng với tần số đầu vào vị trí mong muốn thay đổi, biên độ A = 1m Tần số f (Hz) 0.1 0.25 0.5 0.75 Sai số emax (m) (Sai số  %) Bộ điều khiển Bộ điều đề xuất khiển MSSC 0.005 (2.5%) 0.008 (4%) 0.013 (6.5%) 0.015(7.5%) 0.016 (8%) 0.023(11.5%) 0.02 (10%) 0.024(12%) 0.028 (14%) 0.03(15%) Sai số  (m) (Sai số t, %) Bộ điều Bộ điều khiển khiển đề xuất MSSC 0.0021(1.05%) 0.0037(1.85%) 0.0046(2.3%) 0.0063(3.15%) 0.0064(3.2%) 0.0104(5.2%) 0.0094(4.7%) 0.0106(5.3%) 0.0119(5.95%) 0.0126(6.3%) 21   Bảng 4.6 tổng hợp kết sai số điều khiển với ps khác Kết cho thấy chất lượng điều khiển hai điều khiển bị ảnh hưởng áp suất nguồn khí nén Hình 4.21 Kết điều khiển với áp suất nguồn khí nén bar: a-b) Với điều khiển MSSC, c-d) Với điều khiển đề xuất Bảng 4.6 Các sai số vị vị trí pít-tơng với, ps thay đổi Áp suất ps (bar) Sai số emax (m) (Sai số  %) Bộ điều Bộ điều khiển đề xuất khiển MSSC 0.007 0.009 0.009 0.01 0.007 0.008 Sai số  (m) (Sai số t, %) Bộ điều Bộ điều khiển đề xuất khiển MSSC 0.0042 0.0056 0.0048 0.0062 0.0021 0.0037 Hình 4.22 kết điều khiển với đầu vào x1d = 0.15 +0.1sin(2ft) m, f = 0.1 Hz, ps = bar không đổi, tải M = 0.5 kg Hình 4.22 Kết điều khiển với tải khối lượng M = kg: a-b) Với điều khiển SMMC, c-d) Với điều khiển đề xuất 22   Bảng 4.7 tổng hợp kết điều khiển với tải khác Bảng 4.7 Các sai số vị trí pít-tơng với M thay đổi Tải M (kg) 0.5 1.5 2.5 3.5 Sai số emax (m) , (Sai số  %) Bộ điều Bộ điều khiển đề xuất khiển MSSC 0.005 0.008 0.0046 0.0081 0.0051 0.0083 0.0046 0.0078 0.0046 0.0081 Sai số  (m) , (Sai số t, %) Bộ điều Bộ điều khiển đề xuất khiển MSSC 0.0021 0.0037 0.0022 0.00371 0.0022 0.00344 0.002 0.00337 0.0022 0.0032 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận án tập trung giải hai vấn đề nghiên cứu Thứ nhất, Luận án nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng mơ hình ma sát mơ đặc tính động lực học xy lanh khí nén Thứ hai, Luận án nghiên cứu đề xuất xây dựng phương pháp điều khiển vị trí pít-tơng xy lanh kết hợp phương pháp điều khiển phi tuyến với bù ma sát Đối với vấn đề nghiên cứu thứ nhất, Luận án nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng ba mô hình ma sát, bao gồm mơ hình ma sát trạng thái ổn định, mơ hình ma sát LuGre, mơ hình ma sát LuGre cải tiến đến mơ động lực học xy lanh khí nén Luận án xây dựng hệ thống thực nghiệm TĐKN điều khiển tỉ lệ để thu thập đặc tính động lực học xy lanh để sử dụng đánh giá kết mơ Luận án sau xây dựng mơ hình tốn học chung hệ thống TĐKN điều khiển tỉ lệ, có mơ hình ma sát Chương trình mơ sau xây dựng Cuối kết mô sử dụng ba mơ hình ma sát so sánh với kết thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng mơ hình ma sát Vấn đề nghiên cứu đạt kết sau: Mơ hình ma sát trạng thái ổn định sử dụng nghiên cứu khơng khơng phù hợp Mơ hình khơng thể mơ chuyển động dính-trượt gây nhiều dao động đặc tính lực ma sát; 1).Mơ hình LuGre cho kết tương đối xác đặc tính vị trí pít tơng, áp suất khoang xy lanh, lực ma sát Tuy nhiên, mô hình đốn phần chuyển động dính trượt pít tơng điều kiện vận tốc thấp; 2) Mơ hình LuGre cải tiển mơ xác đặc tính động lực học xy lanh Kết chứng minh mơ hình LuGre cải tiến mơ hình ma sát phù hợp sử dụng mơ 23   đặc tính hoạt động xy lanh khí nén số ba mơ hình ma sát khảo sát; 3) Nghiên cứu xây dựng chương trình mơ phần mềm MATLAB/Simulink cho hệ thống TĐKN điều khiển tỉ lệ Đối với vấn đề nghiên cứu thứ hai, Luận án đề xuất điều khiển vị trí pít-tơng xy lanh cách sử dụng phương pháp điều khiển đa mặt trượt kết hợp với bù ma sát dựa mơ hình ma sát LuGre Tổng hợp điều khiển phân tích tính ổn định hệ thống điều khiển thực chi tiết Luận án Bộ điều khiển kiểm chứng mô lẫn thực nghiệm Kết nghiên cứu tính hiệu phương pháp điều khiển so với phương pháp điều khiển đa mặt trượt khơng có bù ma sát điều khiển khác, cụ thể: 1) Đối với đầu vào vị trí mong muốn dạng bước khơng đổi với biên độ thay đổi phạm vị hành trình 300 mm, sai số vị trí tương đối điều khiển điều khiển đạt đến 0.32% ứng với sai số vị trí tuyệt đối 0.8 mm; 2) Đối với đầu vào vị trí mong muốn thay đổi dạng song hình sin với biên độ thay đổi phạm vị hành trình xy lanh tần số thay đổi đến Hz, điều khiển đạt sai số vị trí tương đối nhỏ đến 2.5 % tương ứng với sai số vị trí tuyệt đối mm; 3) Bằng cách kết hợp với bù ma sát, điều khiển giảm tới 14% sai số vị trí tuyệt đối giảm đến 6,5% sai số vị trí trung bình bình phương so với điều khiển MSSC khơng có bù ma sát với đầu vào mong muốn hình sin; 4) Bộ điều khiển có khả điều khiển tốt so với điều khiển MSSC điều kiện hoạt động khác tải tác dụng áp suất nguồn khí Kiến nghị Từ kết đạt nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm, Luận án đưa số kiến nghị sau: 1) Mơ hình ma sát LuGre cải tiến (RLuGre) cho kết mô tốt đặc tính động lực học xy lanh khí nén Do mơ hình ma sát áp dụng nghiên cứu mô thiết kế hệ thống truyền động khí nén nói chung; 2) Chương trình mơ phát triển nghiên cứu ứng dụng để mơ hệ thống TĐKN nói chung; 3) Bộ điều khiển xem xét ứng dụng thiết kế máy hệ thống điều khiển công nghiệp để nâng cao xuất 24   ... từ Hình 3.18 đến 3.21 xác minh mơ hình RLuGre tốt cho xy lanh khí nén ba mơ hình ma sát xem xét nghiên cứu CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH MA SÁT TRONG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ PÍT-TƠNG XY LANH KHÍ... 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. .. với bù ma sát Đối với vấn đề nghiên cứu thứ nhất, Luận án nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng ba mơ hình ma sát, bao gồm mơ hình ma sát trạng thái ổn định, mơ hình ma sát LuGre, mơ hình ma sát LuGre