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 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN 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 chữ ký) Luận án báo cáo 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 Hội đồng Luận án Tiến Sĩ) TT 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 Lưu Đức Bình Chức danh Hội đồng Chủ tịch hội đồng Phản biện Phản biện Phản biện Ủy viên Ủy viên Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận án sau Luận án 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 tham khảo tạp chí, sách chuyên khảo ngồi nước Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận án cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận án rõ nguồn gốc Nghiên cứu sinh thực Luận án (Ký ghi rõ họ tên) LỜI CÁM ƠN Em xin bày tỏ tình cảm hướng dẫn PGS TS Lê Cung giúp đỡ phương pháp, nội dung hướng nghiên cứu q trình thực Luận án, hướng dẫn hai GS TS Ngô Anh Dũng (Trường Đại học Công nghệ ÉTS, Canada) cung cấp tài liệu nước kịp thời Đồng thời cám ơn tập thể cán khoa Cơ khí, Khoa học tập nước giúp đỡ việc dịch thuật, góp ý phương pháp tải tài liệu liên quan cho trình thực Luận án NCS Trần Ngọc Hải TĨM TẮT Ngày nay, tự động hố q trình sản xuất tự động hố q trình cơng nghệ yêu cầu thiết trình chuyển tiếp từ cách mạng khoa học - kỹ thuật sang cách mạng khoa học - công nghệ, đặc biệt nước ta hội nhập “Cách mạng Công nghiệp 4.0” Mặt khác, Việt Nam phấn đấu để trở thành nước cơng nghiệp trình độ cơng nghệ sản xuất đánh giá tiêu công nghệ tiên tiến Mà công nghệ tiên tiến thể qua công nghệ, trang thiết bị chất lượng sản phẩm Cùng với phát triển kỹ thuật điều khiển tự động máy móc thiết bị, dây chuyền thiết bị đại nước công nghiệp kỹ thuật điều khiển hệ thủy lực nhà khoa học sản xuất giới quan tâm Bởi vì, hệ truyền động điều khiển hệ thủy lực có nhiều ưu điểm, ứng dụng rộng rãi nhiều loại thiết bị, đặc biệt loại thiết bị có cơng 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 máy CNC; thiết bị quân sự, rađa; điều khiển tự động cánh hướng nhà máy thủy điện v.v Để nâng cao chất lượng điều khiển thiết bị nói chung nghiên cứu chất lượng 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 (như độ nhớt, độ đàn hồi dầu, nhiệt độ dầu v.v) Qua tham khảo nhiều báo sách chuyên khảo quốc tế nước 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 mơ hình hai khối lượng 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 mơ máy vi tính, thiết lập 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 thông số kết cấu thông số điều khiển hệ thống nhằm thuận lợi cho việc khảo sát xử lý số liệu Từ đó, xác định đánh giá tiêu chất lượng 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 hệ bậc Về nghiên cứu thực nghiệm thực ghép nối tương 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 nghiên cứu kết nối vi điều khiển Arduino với máy vi tính Trên sở kết nghiên cứu lý thuyết, thiết lập thuật toán điều khiển PID tự điều chỉnh mờ xác định thông số điều khiển mờ K’P, K’I K’D thực nghiệm Viết chương trình điều khiển giao diện hệ thống, xử lý, lưu số liệu khảo sát vẽ đáp ứng độ điều khiển tốc độ trục quay thực phần mềm IDE Matlab/Guide Khi điều khiển thiết bị thực nghiệm, tín hiệu phản hồi truyền liên tục, theo thời gian thực vẽ đồ thị đáp ứng lưu số liệu máy vi tính suốt q trình thiết bị hoạt động Ngồi đề tài khảo sát ảnh hưởng 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 ưu theo tiêu chuẩn ITAE Kết đề tài làm phong phú thêm loại mơ hình điều khiển hệ thủy lực chuyển động quay nói riêng hệ điều khiển thủy lực nói chung Các kết nghiên cứu liên quan đến đề tài công bố, gồm: 04 báo cáo khoa học đăng kỷ yếu hội nghị chuyên ngành nước; 01 báo đăng tạp chí nước; 01 đề tài KHCN cấp Bộ; 03 báo cáo khoa học đăng kỷ yếu hội nghị quốc tế tạp chí chun ngành quốc tế, Scopus 01 báo 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 Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Ý nghĩa khoa thực tiễn đề tài CHƯƠNG 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 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 12 1.2.3 Hệ truyền động điều khiển vị trí hệ thủy lực 22 1.2.4 Các cơng 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 hệ thống truyền động thủy lực 29 2.1.1 Cấu trúc hệ truyền động thủy lực 29 2.1.2 Các tính chất vật lý chất lỏng thủy lực 30 2.1.3 Động thủy lực 34 2.1.4 Van tỷ lệ van servo 37 2.1.5 Nguyên tắc tương tự điện - thủy lực 42 2.2 Tổng quan hệ thống điều khiển thủy lực 44 2.2.1 Phân tích tổng quan lịch sử phân loại điều khiển 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 mơ hình nghiên cứu đáp ứng độ trục quay truyền động thủy lực 54 3.1.1 Phân tích tổng quan 54 3.2.2 Mơ hình nghiên cứu 56 3.2 Thiết lập mơ hình tính tốn mơ tả tốn học hệ thống 60 3.2.1 Mơ hình tốn bỏ qua biến dạng đàn hồi truyền đai thang 60 3.2.2 Mơ hình tốn có tính đến biến dạng đàn hồi truyền đai thang 64 3.3 Mô đáp ứng độ tốc độ hệ 67 3.3.1 Phân tích điều khiển 67 3.3.2 Thiết kế điều khiển PID tự điều chỉnh mờ 68 3.4 Khảo sát đáp ứng độ điều khiển tự động tốc độ trục quay 71 3.4.1 Các số liệu mô 71 3.4.2 Đáp ứng tốc độ 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 mơ hình thực nghiệm trục quay truyền động động thủy lực 83 4.1.1 Tính tốn nguồn truyền động thủy lực 83 4.1.2 Chọn hệ thống truyền động điều khiển thủy lực 86 4.1.3 Chế tạo lắp đặt thiết bị thực nghiệm trục quay 95 4.2 Xác định thông số điều khiển viết chương trình điều khiển hệ thống 97 4.3 Khảo sát thực nghiệm độ ổn định điều khiển tốc tộ trục quay 99 4.4 So sánh kết lý thuyết thực nghiệm 104 4.5 Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ dầu đến độ ổn định tốc độ trục quay 109 4.6 Kết luận chương 112 KẾT LUẬN CHUNG 114 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC LIÊN QUAN ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO 119 PHỤ LỤC PHỤ LỤC ... hệ điều khiển tự động thủy lực Để có thiết bị chất lượng cao động lực học vấn đề quan trọng, nghiên cứu vấn đề phức tạp Nghiên cứu động lực học hệ điều khiển thủy lực chuyển động quay cho trục. .. phong phú thêm nghiên cứu lĩnh vực điều khiển hệ thủy lực Việt Nam ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu đáp ứng độ tốc độ trục quay truyền động động thủy lực Mơ hình... KHIỂN TỐC ĐỘ CỦA TRỤC QUAY TRUYỀN ĐỘNG BẰNG THỦY LỰC 83 4.1 Xây dựng mơ hình thực nghiệm trục quay truyền động động thủy lực 83 4.1.1 Tính tốn nguồn truyền động thủy lực