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. 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 đã được ứng dụng tại Việt Nam. 1 luan an 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.) 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. 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. 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 luan an Matlab/Guide.
Số liệu khảo sát được tự động lưu file.mat trên Matlab, từ đây có thể vẽ đồ thị tín hiệu điều khiển và tín hiệu phản hồi của hệ thống. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Để đạt được các mục tiêu nghiên cứu như trình bày ở trên thì đề tài thực hiện các nội dung sau: Nghiên cứu lý thuyết về truyền động và điều khiển hệ thủy lực. Phân tích và xây dựng mô hình vật lý về điều khiển tốc độ của trục quay, thiết lập các phương trình vi phân mô tả hoạt động của hệ thống, thiết lập mối quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra. Phân tích và chọn thuật toán điều khiển PID tự điều chỉnh mờ để điều khiển hệ thống.
Nghiên cứu đáp ứng quá độ của hệ thống nhằm xác định bộ tham số điều khiển lý thuyết phù hợp. Thiết kế và lắp đặt thiết bị thí nghiệm điều khiển tốc độ của trục quay. Trên đó, truyền động từ động cơ thủy lực đến trục quay thông qua bộ truyền đai và tải trọng tác động lên trục quay là không đổi. Chương trình điều khiển hệ thống có các kết quả về đáp ứng của hệ được vẽ và lưu trữ theo thời gian thực trên máy vi tính.
Nghiên cứu thực nghiệm về đáp ứng quá độ của hệ thống, trong đó quan tâm đến ảnh hưởng của tham số điều khiển cũng như ảnh hưởng của nhiệt độ của dầu đến đặc tính của quá trình quá độ (độ vọt lố, thời gian đáp ứng và sai số xác lập). Trên cơ sở đó, xác định bộ tham số thực nghiệm phù hợp, đạt kết quả tối ưu như theo tiêu chuẩn ITAE. Ý NGHĨA KHOA VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Với mục tiêu và nội dung nghiên cứu như đã được trình bày ở trên, đề tài có những ý nghĩa khoa học và thực tiễn như sau: Trong thực tế, cơ cấu chấp hành có thể có nhiều khâu đàn hồi và nhiều khối lượng chuyển động nên mô hình nghiên cứu động lực học về điều khiển tốc độ động cơ thủy lực qua khâu mềm (bộ truyền đai thang) với hai giá trị mô men quán tính khối lượng và hai khâu đàn hồi là có ý nghĩa thực tiễn. Góp phần mở rộng phạm vi điều khiển với bộ tham số điều khiển PID tự điều 4 luan an chỉnh mờ ở nhiều tốc độ cài đặt khác nhau.
Nghiên cứu này có thể phát triển để ứng dụng cho các thiết bị mà không thể truyền động trực tiếp từ động cơ thủy lực đến cơ cấu chấp hành hoặc qua truyền động bằng các bộ truyền ăn khớp. 5 luan an CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHỮNG VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1. Lịch sử phát triển của hệ truyền động và điều khiển tự động thủy lực Công nghệ năng lượng chất lỏng [47] được phát minh bởi Alexander Ktesbios 250 năm trước Công Nguyên về đồng hồ nước. Tuy nhiên, đến năm 1663 Principles thì hệ thủy lực được nhiều nhà khoa học quan tâm và máy ép thủy lực đầu tiên ứng dụng trong công nghiệp (lúc đó sử dụng nước để làm lưu chất truyền động) được thực hiện bởi Josef Bramah (1749 - 1814).
Các động cơ chạy bằng động cơ hơi nước cũng được phát minh và sử dụng rộng rãi trong khoảng thời gian này (James Watt, 1736-1819). Vào nửa cuối của thế kỷ 19, W. Armstrong (1810-1900) đã phát triển nhiều máy thủy lực và thiết bị thủy lực nhưng chủ yếu sử dụng trong đóng tàu và một số thiết bị điều khiển, vẫn giống với thiết bị điều khiển được sử dụng ngày nay.