Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu điều khiển tốc độ trục quay bằng động cơ thủy lực - Trần Ngọc Hải

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 luan an 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. Lê Cung Hướng dẫn 2: GS. Ngô Văn Dũng Đà Nẵng - Năm 2020 luan an CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học : PGS. 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.

Trần Văn Nam Chủ tịch hội đồng 2 PGS. Nguyễn Huy Ninh Phản biện 1 3 TS. Nguyễn Thanh Hải Phản biện 2 4 PGS. Đinh Minh Diệm Phản biện 3 5 PGS.

Nguyễn Hữu Lộc Ủy viên 6 TS. Nguyễn Quận Ủy viên 7 PGS. 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 luan an 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) luan an 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. Trần Ngọc Hải luan an 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. 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. 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. 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, luan an 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. 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). luan an 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. Lý do chọn đề tài.

Mục tiêu nghiên cứu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Nội dung nghiên cứu. 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. Lịch sử phát triển của hệ truyền động và điều khiển tự động thủy lực. Các công trình đã được công bố có liên quan đến nội dung nghiên cứu. Hệ truyền động và điều khiển tải trọng hệ thủy lực.

Hệ truyền động và điều khiển vận tốc hệ thủy lực. Hệ truyền động và điều khiển vị trí hệ thủy lực. Các công bố có liên quan khác. Kết luận chương.

26 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN THỦY LỰC. Tổng quan về hệ thống truyền động thủy lực. Cấu trúc cơ bản của hệ truyền động thủy lực. Các tính chất vật lý cơ bản của chất lỏng thủy lực.

Động cơ thủy lực. Van tỷ lệ và van servo. Nguyên tắc tương tự điện - thủy lực. Tổng quan về hệ thống điều khiển thủy lực.

Phân tích tổng quan về lịch sử và phân loại điều khiển các hệ thống thủy lực. Đánh giá chất lượng hệ thống điều khiển. 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.

Xây dựng mô hình nghiên cứu đáp ứng quá độ của trục quay truyền động bằng thủy lực. Phân tích tổng quan. Mô hình nghiên cứu. Thiết lập mô hình tính toán và mô tả toán học của hệ thống.

Mô hình toán khi bỏ qua biến dạng đàn hồi của bộ truyền đai thang. Mô hình toán khi có tính đến biến dạng đàn hồi của bộ truyền đai thang. Mô phỏng đáp ứng quá độ về tốc độ của hệ. Phân tích các bộ điều khiển.

Thiết kế bộ điều khiển PID tự điều chỉnh mờ. Khảo sát đáp ứng quá độ về điều khiển tự động tốc độ của trục quay. Các số liệu mô phỏng. Đáp ứng về tốc độ của trục quay.

Kết luận chương. 81 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA TRỤC QUAY TRUYỀN ĐỘNG BẰNG THỦY LỰC. Xây dựng mô hình thực nghiệm của trục quay truyền động bằng động cơ thủy lực. Tính toán cơ bản nguồn truyền động thủy lực.

Chọn hệ thống truyền động và điều khiển thủy lực. Chế tạo và lắp đặt thiết bị thực nghiệm của trục quay.