Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển tốc độ của trục quay truyền động bằng động cơ thủy lực

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:143

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay cho mô hình hai khối lượng quay và hai khâu đàn hồi, khi ứng dụng bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ để điều khiển ở các tốc độ khác nhau. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển tốc độ của trục quay truyền động bằng động cơ thủy lực

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------- TRẦN NGỌC HẢI NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA TRỤC QUAY TRUYỀN ĐỘNG BẰNG ĐỘNG CƠ THỦY LỰC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2020
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------- TRẦN NGỌC HẢI NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA TRỤC QUAY TRUYỀN ĐỘNG BẰNG ĐỘNG CƠ THỦY LỰC Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số ngành: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: Hướng dẫn 1: PGS.TS. Lê Cung Hướng dẫn 2: GS. TS. Ngô Văn Dũng Đà Nẵng - Năm 2020
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Lê Cung (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận án được báo cáo tại Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng ngày tháng năm 2020 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận án gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng Luận án Tiến Sĩ) TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 GS. TS. Trần Văn Nam Chủ tịch hội đồng 2 PGS. TS. Nguyễn Huy Ninh Phản biện 1 3 TS. Nguyễn Thanh Hải Phản biện 2 4 PGS. TS. Đinh Minh Diệm Phản biện 3 5 PGS. TS. Nguyễn Hữu Lộc Ủy viên 6 TS. Nguyễn Quận Ủy viên 7 PGS. TS. Lưu Đức Bình Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận án sau khi Luận án đã được báo cáo và sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận án
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả mô phỏng và thực nghiệm nêu trong Luận án là trung thực, các thông số kết cấu được tham khảo trên các tạp chí, sách chuyên khảo của trong và ngoài nước. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận án này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận án đã được chỉ rõ nguồn gốc. Nghiên cứu sinh thực hiện Luận án (Ký và ghi rõ họ tên)
LỜI CÁM ƠN Em xin bày tỏ tình cảm của mình đối với hướng dẫn chính PGS. TS Lê Cung đã giúp đỡ về phương pháp, nội dung và các hướng nghiên cứu chính trong quá trình thực hiện Luận án, hướng dẫn hai GS. TS Ngô Anh Dũng (Trường Đại học Công nghệ ÉTS, Canada) đã cung cấp các tài liệu nước ngoài kịp thời. Đồng thời cám ơn tập thể cán bộ khoa Cơ khí, hiện đang ở tại Khoa cũng như đang học tập ở nước ngoài đã giúp đỡ trong việc dịch thuật, góp ý về phương pháp và tải tài liệu liên quan cho quá trình thực hiện Luận án. NCS. Trần Ngọc Hải
TÓM TẮT Ngày nay, tự động hoá quá trình sản xuất và tự động hoá quá trình công nghệ là yêu cầu bức thiết của quá trình chuyển tiếp từ cách mạng khoa học - kỹ thuật sang cách mạng khoa học - công nghệ, đặc biệt nước ta đang hội nhập cuộc “Cách mạng Công nghiệp 4.0”. Mặt khác, Việt Nam hiện đang phấn đấu để trở thành một nước công nghiệp thì trình độ công nghệ của sản xuất được đánh giá bằng chỉ tiêu công nghệ tiên tiến. Mà công nghệ tiên tiến được thể hiện qua công nghệ, trang thiết bị và chất lượng sản phẩm. Cùng với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động trong máy móc thiết bị, dây chuyền thiết bị hiện đại ở các nước công nghiệp thì kỹ thuật điều khiển hệ thủy lực đang được các nhà khoa học và sản xuất trên thế giới quan tâm. Bởi vì, hệ truyền động và điều khiển hệ thủy lực có nhiều ưu điểm, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều loại thiết bị, đặc biệt các loại thiết bị có công suất lớn, ví dụ như: máy ép nhấn chuyên dụng, ép điều khiển số; robot công nghiệp; máy công cụ truyền thống, máy tự động chuyên dụng hoặc máy CNC; thiết bị quân sự, rađa; bộ điều khiển tự động cánh hướng của nhà máy thủy điện..v.v. Để nâng cao chất lượng điều khiển của các thiết bị nói chung thì nghiên cứu chất lượng động lực học của hệ là một trong những vấn đề hết sức cần thiết. Động lực học của hệ điều khiển thủy lực là hết sức phức tạp vì nó liên quan đến nhiều yếu tố thay đổi trong quá trình làm việc (như độ nhớt, độ đàn hồi của dầu, nhiệt độ của dầu..v.v). Qua tham khảo nhiều bài báo và sách chuyên khảo quốc tế cũng như trong nước được công bố trong các năm gần đây thì đề tài “Nghiên cứu điều khiển tốc độ của trục quay truyền động bằng động cơ thủy lực” là hết sức cần thiết đối với sự phát triển lĩnh vực này ở Việt Nam. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay cho mô hình hai khối lượng quay và hai khâu đàn hồi, khi ứng dụng bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ để điều khiển ở các tốc độ khác nhau. Về lý thuyết là nghiên cứu mô phỏng trên máy vi tính, trong đó thiết lập được mô tả toán học, tìm mối quan hệ của các tín hiệu trong hệ thống bằng lý thuyết điều khiển tự động. Ứng dụng bộ điều khiển PID tự động điều chỉnh mờ để nghiên cứu đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay ở các tốc độ cài đặt khác nhau. Trong đó,
thiết lập giao diện Matlab/ Guide trực quan, tích hợp các thông số kết cấu cũng như thông số điều khiển của hệ thống nhằm thuận lợi cho việc khảo sát và xử lý số liệu. Từ đó, xác định và đánh giá được các chỉ tiêu về chất lượng thông qua đáp ứng quá độ của hệ theo tiêu chuẩn ITAE. Khi nghiên cứu mô phỏng với điều khiển bộ thông số này đã làm cho hệ bậc cao có đặc tính như của một hệ bậc nhất. Về nghiên cứu thực nghiệm là đã thực hiện ghép nối tương thích giữa thiết bị điều khiển và thiết bị chấp hành để lắp ráp thành một thiết bị nghiên cứu thực nghiệm. Trong đó, tính toán và chọn nguồn truyền động, cơ cấu tạo tải, van tỷ lệ, động cơ thủy lực, cảm biến tốc độ .v.v. cũng như nghiên cứu kết nối vi điều khiển Arduino với máy vi tính. Trên cơ sở kết quả của nghiên cứu lý thuyết, thiết lập được thuật toán điều khiển PID tự điều chỉnh mờ và xác định được bộ thông số điều khiển mờ K’P, K’I và K’D bằng thực nghiệm. Viết chương trình điều khiển và giao diện của hệ thống, cũng như xử lý, lưu số liệu khảo sát và vẽ đáp ứng quá độ về điều khiển tốc độ của trục quay được thực hiện trên phần mềm IDE và Matlab/Guide. Khi điều khiển thiết bị thực nghiệm, tín hiệu phản hồi được truyền liên tục, theo thời gian thực và vẽ đồ thị đáp ứng cũng như lưu các số liệu trên máy vi tính trong suốt quá trình thiết bị hoạt động. Ngoài ra đề tài còn khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ dầu đến đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay trên cơ sở của bộ thông số PID tự điều chỉnh mờ trên. Nhờ bộ điều khiển trên mà đáp ứng của mô hình thực nghiệm cũng gần giống khâu quán tính và tối ưu như theo tiêu chuẩn ITAE. Kết quả của đề tài sẽ làm phong phú thêm về các loại mô hình điều khiển hệ thủy lực chuyển động quay nói riêng cũng như hệ điều khiển thủy lực nói chung. Các kết quả nghiên cứu liên quan đến đề tài đã được công bố, gồm: 04 bài báo cáo khoa học đăng trong kỷ yếu của các hội nghị chuyên ngành trong nước; 01 bài báo đăng tạp chí trong nước; 01 đề tài KHCN cấp Bộ; 03 bài báo cáo khoa học được đăng trong kỷ yếu của các hội nghị quốc tế và tạp chí chuyên ngành quốc tế, trong đó 2 bài Scopus và 01 bài báo được đăng trên tạp chí quốc tế (ISI-ESCI).
MỤC LỤC Lời cam đoan Lời cám ơn Tóm tắt Mục lục Danh mục các ký hiệu và từ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, hình ảnh, đồ thị Mở đầu ................................................................................................................................. 1 1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu...................................................................................................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu................................................................................. 3 4. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................................... 4 5. Ý nghĩa khoa và thực tiễn của đề tài ............................................................................. 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ....................................................................................................... 6 1.1. Lịch sử phát triển của hệ truyền động và điều khiển tự động thủy lực.............. 6 1.2. Các công trình đã được công bố có liên quan đến nội dung nghiên cứu ............ 8 1.2.1. Hệ truyền động và điều khiển tải trọng hệ thủy lực ...................................... 8 1.2.2. Hệ truyền động và điều khiển vận tốc hệ thủy lực ...................................... 12 1.2.3. Hệ truyền động và điều khiển vị trí hệ thủy lực.......................................... 22 1.2.4. Các công bố có liên quan khác................................................................... 24 1.3. Kết luận chương ..................................................................................................... 26 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC ....................................................................................................................... 29 2.1. Tổng quan về hệ thống truyền động thủy lực ..................................................... 29 2.1.1. Cấu trúc cơ bản của hệ truyền động thủy lực ................................................ 29 2.1.2. Các tính chất vật lý cơ bản của chất lỏng thủy lực ...................................... 30 2.1.3. Động cơ thủy lực ....................................................................................... 34
2.1.4. Van tỷ lệ và van servo ................................................................................ 37 2.1.5. Nguyên tắc tương tự điện - thủy lực ........................................................... 42 2.2. Tổng quan về hệ thống điều khiển thủy lực ........................................................ 44 2.2.1. Phân tích tổng quan về lịch sử và phân loại điều khiển các hệ thống thủy lực ....................................................................................................................... 44 2.2.3. Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển ................................................... 48 2.3. Kết luận chương ..................................................................................................... 51 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ĐÁP ỨNG QUÁ ĐỘ VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA TRỤC QUAY TRUYỀN ĐỘNG BẰNG THỦY LỰC........................................ 53 3.1. Xây dựng mô hình nghiên cứu đáp ứng quá độ của trục quay truyền động bằng thủy lực ................................................................................................................. 54 3.1.1. Phân tích tổng quan ..................................................................................... 54 3.2.2. Mô hình nghiên cứu .................................................................................... 56 3.2. Thiết lập mô hình tính toán và mô tả toán học của hệ thống ............................ 60 3.2.1. Mô hình toán khi bỏ qua biến dạng đàn hồi của bộ truyền đai thang .............. 60 3.2.2. Mô hình toán khi có tính đến biến dạng đàn hồi của bộ truyền đai thang ........ 64 3.3. Mô phỏng đáp ứng quá độ về tốc độ của hệ ........................................................ 67 3.3.1. Phân tích các bộ điều khiển........................................................................ 67 3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ ............................................. 68 3.4. Khảo sát đáp ứng quá độ về điều khiển tự động tốc độ của trục quay............. 71 3.4.1. Các số liệu mô phỏng ................................................................................ 71 3.4.2. Đáp ứng về tốc độ của trục quay ................................................................ 72 3.5. Kết luận chương ..................................................................................................... 81 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA TRỤC QUAY TRUYỀN ĐỘNG BẰNG THỦY LỰC........................................ 83 4.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm của trục quay truyền động bằng động cơ thủy lực........................................................................................................................... 83 4.1.1. Tính toán cơ bản nguồn truyền động thủy lực ............................................ 83 4.1.2. Chọn hệ thống truyền động và điều khiển thủy lực .................................... 86
4.1.3. Chế tạo và lắp đặt thiết bị thực nghiệm của trục quay.................................... 95 4.2. Xác định thông số điều khiển và viết chương trình điều khiển hệ thống ......... 97 4.3. Khảo sát thực nghiệm độ ổn định về điều khiển tốc tộ của trục quay .............. 99 4.4. So sánh các kết quả lý thuyết và thực nghiệm................................................... 104 4.5. Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ của dầu đến độ ổn định tốc độ của trục quay .............................................................................................................................. 109 4.6. Kết luận chương ................................................................................................... 112 KẾT LUẬN CHUNG ..................................................................................................... 114 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ............................................................................................ 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 119 PHỤ LỤC 1 PHỤ LỤC 2
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu/ Ý nghĩa Đơn vị Từ viết tắt D0m Thể tích riêng của động cơ thủy lực m3 Dtb Thể tích riêng của bơm dầu tạo tải m3 D0b Thể tích riêng của bơm m3 Tỷ số truyền của bộ truyền đai truyền từ động cơ điện i0 - đến bơm dầu Tỷ số truyền của bộ truyền đai truyền từ động cơ thủy i1 - lực trục quay Tỷ số truyền của bộ truyền đai truyền từ trục quay i2 - đến cụm bơm tạo tải Hiệu suất truyền động từ động cơ thủy lực đến trục 1 - quay qua bộ truyền đai Hiệu suất truyền động từ động cơ điện đến bơm dầu 2 - qua bộ truyền đai Q Lưu lượng vào/ra của động cơ thủy lực m3/ph pS Áp suất cửa vào của van tỷ lệ N/m2 P Áp suất làm việc động cơ thủy lực N/m2 pt Áp suất bơm tạo tải N/m2 n0 Tốc độ của rô to động cơ thủy lực vg/ph n1 Tốc độ của trục quay vg/ph n2 Tốc độ của trục bơm tạo tải vg/ph nt Tốc độ của cảm biến vg/ph Mm Momen từ áp suất bơm dầu tạo ra Nm M0 Mô men tạo tải trên trục quay Nm NCH Công suất của trục quay kW NTL Công suất trên trục động cơ thủy lực kW Ndco Công suất của động cơ điện kW 2 J1 Mô men quán tính khối lượng của trục quay Nms /rad J0 Mô men quán tính khối lượng của trục rô to Nms2/rad Mô men quán tính khối lượng thu gọn về trục rô to J01 Nms2/rad của động cơ thủy lực I Dòng trên van tỷ lệ mA Hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại điều khiển van tỷ (m 3/s)/m KV lệ A 0 Góc quay của trục rô to Rad 1 Góc quay của trục quay Rad Góc xoắn tương đối của bộ truyền đai thang do biến đ Rad dạng đàn hồi
Ký hiệu/ Ý nghĩa Đơn vị Từ viết tắt Kn Hệ số khuếch đại của tốc kế V/(vg/ph) u0 Điện áp vào điều khiển bộ khuếch đại VDC u1 Điện áp ra điều khiển van tỷ lệ VDC f0 Hệ số ma sát nhớt tương đương của động cơ Nms/rad f1 Hệ số ma sát trên trục quay Nms/rad Hệ số ma sát thu gọn của trục quay về trục rô to của f01 Nms/rad động cơ thủy lực C1 Độ cứng chống xoắn của bộ truyền đai thang CH Độ cứng thủy lực H Hệ số tắt dần T1, T2 Lực kéo dây đai ở 2 phía r0 Bán puly chủ động mm r1 Bán puly bị động mm k Hệ số đàn hồi của dây đai tr Thời gian tăng giây tqđ Thời gian xác lập giây cmax-cxl Độ vọt lố (POT - Percent of Overshoot) % exl Sai số vòng quay ở chế độ xác lập % PID Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân - vi phân IAE Tích phân độ lớn tuyệt đối của sai số ISE Tích phân của bình phương sai số Tích phân thời gian nhân với giá trị tuyệt đối của sai ITAE số
DANH MỤC CÁC BẢNG TT Tên gọi Trang Bảng 1.1 Bộ thông số điều khiển theo Ziegler-Nichols [46] 13 1.2 Kết quả khảo sát [16] 16 1.3 Kết quả tìm bộ thông số điều khiển PID [12] 18 2.1 Hệ số áp suất phụ thuộc vào nhiệt độ [47] 31 2.2 Đặc tính của van servo và van tỷ lệ [47] 38 2.3 Các ứng dụng của van servo và van tỷ lệ [47] 38 2.4 Phân loại về điều khiển tự động thủy lực được công bố [47] 47 2.5 Mối liên hệ giữa số khâu tích phân trong G(s)H(s) và sai số xác lập 50 3.1 Thông số của hệ thống 60 3.2 Quy tắc mờ KP 69 3.3 Quy tắc mờ KI 69 3.4 Quy tắc mờ KD 69 3.5 Tổng hợp các giá trị khảo sát (M0 = 0) 73 3.6 Tổng hợp các giá trị khảo sát khi đặt tải ban đầu 77 3.7 Tổng hợp các giá trị khảo sát khi đặt tải sau thời gian 5(s) 81 4.1 Thông số kỹ thuật 84 4.2 Thông số kỹ thuật của van 89 4.3 Thông số của thiết bị 94 4.4 Độ phân giải của phép đo 99 4.5 Tổng hợp các giá trị khảo sát thực nghiệm với tải 0(Nm) 99 4.6 Tổng hợp các giá trị khảo sát thực nghiệm với tải 0,5(Nm) 100 4.7 Tổng hợp các giá trị khảo sát thực nghiệm với tải 1(Nm) 101 4.8 Tổng hợp các giá trị khảo sát thực nghiệm với tải 1,5(Nm) 102 4.9 So sánh giữa kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm (M0 = 0Nm) 104 So sánh giữa kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm (M0 = 4.10 105 0,5Nm) 4.11 So sánh giữa kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm (M0 = 1Nm) 106 So sánh giữa kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm (M0 = 4.12 107 1,5Nm) 4.13 Tổng hợp kết quả đáp ứng quá độ khi xét đến nhiệt độ dầu 110
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ TT Tên gọi Trang Hình 1.1 Sơ đồ điều khiển theo áp suất [10] 10 Sơ đồ nguyên lý thủy lực điều khiển tốc độ của xilanh thủy lực với 1.2 13 hai tín hiệu vào [46] 1.3 Đáp ứng hình chữ nhật khi điều khiển tốc độ của xilanh thủy lực [46] 14 1.4 Mô hình điều khiển động cơ thủy lực [16] 15 Sơ đồ nguyên lý thủy lực điều khiển động cơ thủy lực bằng van tỷ lệ 1.5 17 [25] 1.6. Mô hình nghiên cứu [25] 19 1.7 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển PID tự điều chỉnh mờ [25] 20 1.8 Kết quả của 5 điều khiển khi áp suất được đặt tại 50bar [25] 20 1.9 Kết quả của 5 điều khiển khi áp suất được đặt tại 10bar 21 1.10 Sơ đồ khối và sai số của hệ điều khiển vận tốc [10], [24] 21 1.11 Sơ đồ khối [10], [24] 22 1.12 Sai số của hệ điều khiển vị trí [10], [24] 23 1.13 Mô hình độ cứng của xilanh thủy lực [10], [24] 24 1.14 Mô hình độ cứng của động cơ thủy lực [10], [24] 25 1.15 Mô hình thủy lực ứng dụng ắc quy thủy khí [51] 26 2.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống thủy lực [47] 29 2.2 Dòng chảy và ứng suất cắt [47] 31 2.3 Mô tả về dòng chảy [47] 33 2.4 Mô tả về dòng chảy qua van [47] 33 2.5 Mô hình động cơ thủy lực với tải quán tính [36] 35 2.6 Sơ đồ hệ thống [36] 36 2.7 Đặc tính hiệu suất của động cơ [36] 37 2.8 Sơ đồ con trượt van 4/3 [47] 39 2.9 Kết cấu van tỷ lệ [Bosch Rexroth AG] 40 2.10 Sơ đồ khối điều khiển van [47] 40 2.11 Quan hệ giữa các biến trong (a) điện và (b) hệ thống thủy lực [47] 43 2.12 Cấu trúc điều khiển chung của hệ điều khiển tự động thủy lực [47] 46 2.13 Sơ đồ khối và đặc tính sai số [8] 48 2.14 Độ vọt lố [8] 49 2.15 Thời gian quá độ và thời gian tăng [8] 49 2.16 Đáp ứng tối ưu của hệ thống [8] 51 3.1 Sơ đồ khối thể hiện đặc tính của hệ điều khiển [10], [23] 53 3.2 Mô hình ứng dụng của hệ điều khiển tự động thủy lực điển hình 55 3.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thủy lực truyền động cho trục quay 57 3.4 Mô hình trục quay 57
TT Tên gọi Trang Hình 3.5 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 58 3.6 Mô hình động lực học của hệ truyền động 58 3.7 Sơ đồ khối 59 3.8 Mô hình động lực học của động cơ thủy lực 59 Mô hình tính toán khi không xét đến biến dạng đàn hồi của bộ truyền 3.9 62 đai thang 3.10 Sơ đồ khối mô tả hệ thống 64 3.11 Sơ đồ khối trong matlab/Simulink 64 3.12 Mô hình toán khi tính đến biến dạng đàn hồi của bộ truyền đai thang 65 3.13 Sơ đồ khối mô tả hệ thống 66 3.14 Sơ đồ khối mô phỏng trong Matlab/Simulink 67 3.15 Sơ đồ khối bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ 68 3.16 Bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ 70 Các hàm thành viên của biến đầu ra bộ điều khiển PID tự điều chỉnh 3.17 70 mờ 3.18 Mô phỏng bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ bằng Matlab/Simulink 70 3.19 Giao diện mô phỏng đáp ứng tốc độ trục quay trên Matlab/Guide 71 3.20 Đồ thị đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay với 5 tốc độ cài đặt 73 3.21 Đồ thị đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay với M0 = 0,5 (Nm) 74 3.22 Đồ thị đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay với M0 = 1 (Nm) 75 3.23 Đồ thị đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay với M0 = 1,5 (Nm) 76 Đồ thị đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay với tải M0 = 0,5 (Nm) cài 3.24 78 đặt sau 5 (giây) Đồ thị đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay với tải M0 = 1 (Nm) cài 3.25 79 đặt sau 5 (giây) Đồ thị đáp ứng quá độ về tốc độ của trục quay với tải M0 = 1,5 (Nm) cài 3.26 80 đặt sau 5 (giây) 4.1 Sơ đồ nguyên lý thủy lực 85 4.2 Hình dạng và ký hiệu van tỷ lệ 4/3 [24] 87 4.3 Kết cấu van tỷ lệ 4/3 [24] 88 4.4 Mối quan hệ giữa lưu lượng và tín hiệu điều khiển [10] 88 4.5 Tuyến tính hóa quan hệ Q-I [10] 89 4.6 Sơ đồ khối kết nối thiết bị điều khiển van [24] 91 4.7 Bo mạch và phần mềm điều khiển [23] 93 4.8 Sơ đồ mạch DAC4921 92 4.9 Sơ đồ mạch nguồn 92 4.10 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 93 4.11 Sơ đồ mạch lắp ráp hệ thống điều khiển 93 4.12 Ảnh chụp mô hình thực nghiệm 95
TT Tên gọi Trang Hình 4.13 Sơ đồ lắp đặt hệ thống 96 4.14 Giao diện Matlab/Guide 98 4.15 Thực nghiệm trục quay với tải 0(Nm) 99 4.16 Thực nghiệm trục quay với tải 0,5(Nm) 100 4.17 Thực nghiệm trục quay với tải 1(Nm) 101 4.18 Thực nghiệm trục quay với tải 1,5(Nm) 102 4.19 So sánh lý thuyết và thực nghiệm (M0 = 0Nm) 103 4.20 So sánh lý thuyết và thực nghiệm (M0 = 0,5Nm) 104 4.21 So sánh lý thuyết và thực nghiệm (M0 = 1Nm) 105 4.22 So sánh lý thuyết và thực nghiệm (M0 = 1,5Nm) 106 4.23 Đáp ứng tốc độ của trục quay ở nhiệt độ 450C 108 4.24 Đáp ứng tốc độ của trục quay ở nhiệt độ 550C 109 4.25 Đáp ứng tốc độ của trục quay ở nhiệt độ 650C 109 4.26 Đáp ứng tốc độ của trục quay ở nhiệt độ 750C 110
MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Công nghiệp Cơ khí là một ngành kinh tế có vị trí đặc biệt quan trọng đối với sự phát triển của nền kinh tế, bởi vì đây là một ngành công nghiệp sản xuất ra máy móc, thiết bị cung cấp cho toàn bộ các ngành kinh tế khác. Thực tế cho thấy, trên thế giới không có bất kỳ quốc gia nào thực hiện thành công sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa mà lại không có nền công nghiệp Cơ khí mạnh. Sự phát triển của ngành công nghiệp Cơ khí vừa là nền tảng vừa là động lực cho sự phát triển của tất cả các ngành nghề khác nhau trong xã hội, nó còn có tác động tích cực đến ngành dịch vụ thông qua sự phát triển của mạng lưới phân phối, thu hút số lượng lao động xã hội, tham gia vào quá trình phân công lao động và hợp tác quốc tế. Nhận thức được tầm quan trọng lĩnh vực tự động hóa nền công nghiệp nói chung và công nghiệp cơ khí nói riêng thì việc đầu tư nghiên cứu lĩnh vực thiệt bị tự động là rất quan trọng. Nhiều đề tài cấp nhà nước đã được thực hiện ở các trường đại học, viện nghiên cứu và cơ sở sản xuất. Trong đó có nhiều đề tài đã được ứng dụng vào thực tế sản xuất, mang lại lợi nhuận cao và giảm nhập ngoại ví dụ như: công nghệ chế tạo khuôn mẫu; chế tạo máy CNC; chế tạo robot hàn tự động; chế tạo các máy nhấn, ép thủy lực tải trọng lớn..v.v. Trong những năm đầu của thế kỷ 21, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật máy tính, công nghệ thông tin, công nghệ điện tử và cơ khí chính xác mà kỹ thuật điều khiển tự động quá trình công nghệ trong lĩnh vực công nghiệp thế giới đã có những phát triển vượt bậc. Trong đó, lĩnh vực điều khiển tự động hệ thủy lực ngày càng được nghiên cứu phát triển và được ứng dụng với chất lượng điều khiển ngày càng cao. Hiện nay, các thiết bị thủy lực công suất lớn như: hệ thống điều khiển cánh hướng ở các nhà máy thủy điện; máy ép điều khiển chương trình số; robot công nghiệp hàn hay gắp các vật nặng trong môi trường khắc nghiệt; các máy cắt gọt chuyên dùng hoặc máy CNC (máy mài, máy bào, máy phay, máy tiện,..); các thiết bị quân sự ..v.v đã được ứng dụng tại Việt Nam. 1
Các đề tài nghiên cứu về truyền động và điều khiển hệ thủy lực đang được các nhà khoa học quan tâm và thường xuyên có các bài báo công bố trên các tạp chí chuyên ngành của thế giới. Trong đó, tập trung nghiên cứu về chất lượng của các phần tử thủy lực và chất lượng của một hệ điều khiển tự động thủy lực. Để có một thiết bị chất lượng cao thì động lực học là một trong những vấn đề quan trọng, nhưng nghiên cứu vấn đề này là rất phức tạp. Nghiên cứu động lực học của một hệ điều khiển thủy lực chuyển động quay cho một trục công tác (như trục quay của Rada, trục quay của Robot, trục quay bàn dao của một máy CNC..v.v.) với những giả thiết để có kết quả sát với thực tế cũng là vấn đề rất khó khăn. Nên việc nghiên cứu đáp ứng quá độ về điều khiển tốc độ của trục quay truyền động bằng động cơ thủy lực là hết sức cần thiết. Ở Việt Nam, kỹ thuật điều khiển thủy lực với sự kết hợp giữa thủy lực - điện tử - tin học - thuật toán điều khiển thông minh là đề tài mới và còn ít các công trình nghiên cứu được công bố. Từ các cơ sở phân tích trên, đề tài luận án “Nghiên cứu điều khiển tốc độ của trục quay truyền động bằng động cơ thủy lực” là có tính khoa học về mặt lý thuyết và thực nghiệm, góp phần phát triển và làm chủ công nghệ về lĩnh vực kỹ thuật điều khiển hệ thủy lực ở Việt Nam. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Về mặt lý thuyết: Xây dựng mô hình nghiên cứu về điều khiển tốc độ của trục quay truyền động bằng động cơ thủy lực, lập mô hình vật lý, mô hình toán và sơ đồ khối mô tả mối quan hệ giữa các tín hiệu vào/ra trong hệ thống. Nghiên cứu mô phỏng đáp ứng quá độ về điều khiển tốc độ của trục quay trên máy vi tính. Về mặt thực nghiệm: Thiết kế và lắp ráp mô hình nghiên cứu thực nghiệm, viết chương trình điều khiển tốc độ của trục quay, sử dụng bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ. Khảo sát đáp ứng quá độ thực nghiệm và so sánh với đáp ứng quá độ lý thuyết, từ đó xác định bộ thông số điều khiển của hệ điều khiển thủy lực chuyển động quay. Mục đích của đề tài này nhằm góp phần phát triển và làm phong phú thêm các nghiên cứu về lĩnh vực điều khiển hệ thủy lực ở Việt Nam. 2
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu đáp ứng quá độ về tốc độ của một trục quay truyền động bằng động cơ thủy lực. Mô hình thực nghiệm được lắp ráp tại phòng thí nghiệm truyền động và điều khiển thủy khí, khoa Cơ khí, trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng. Các thiết bị điện thủy lực, bộ điều khiển được sử dụng là: - Động cơ thủy lực: Delta Power Hydraulic Co, Rockford Illinois. - Van tỷ lệ: Festo Didactic (4/3). - Bộ khuếch đại tỷ lệ: Festo Didactic. - Ắc quy thủy lực: Schrader Bellows (nhằm ổn định thế năng của dầu vào van tỷ lệ nâng cao độ chính xác điều khiển). - Lọc cao áp: Parker Hannifin, Metamora, OH 43540 (đảm bảo độ tin cậy dầu thủy lực vào van tỷ lệ). - Tốc kế: PITTMAN USA, No F8412G591 (đo tốc độ của trục quay). - Bộ nguồn thủy lực: Động cơ điện 3 pha, bơm dầu, van tràn và van an toàn, đồng hồ đo áp suất,… - Cụm tạo tải: bơm dầu, van tràn và van an toàn, van đóng mở 2/2, van tiết lưu. - Bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển Arduino Mega 2560. Các phần tử trên hiện được sử dụng nhiều trong các thiết bị điều khiển của công nghiệp trên thế giới, nên việc lựa chọn chúng để lắp ráp mô hình nghiên cứu thực nghiệm là phù hợp với phát triển chung của công nghiệp thế giới hiện nay. Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu mô phỏng về lý thuyết trên máy vi tính và nghiên cứu thực nghiệm trên thiết bị được thiết kế, lắp đặt về điều khiển hệ thủy lực chuyển động quay, tải trọng tác động lên trục quay là không đổi trong quá trình vận hành thực nghiệm. Xác định bộ thông số điều khiển nhằm đạt được các chỉ tiêu về đáp ứng quá độ (độ vọt lố, thời gian đáp ứng, sai số xác lập). Chương trình điều khiển được viết trên phần mềm IDE, giao diện các thông số điều khiển, tham số cài đặt và tín hiệu phản hồi được thực hiện trên phần mềm 3