Tổng quan luận án

Hệ thống truyền động khí nén được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như sản xuất ô tô, xây dựng, giao thông hàng hải, hàng không, công nghiệp in ấn, chế biến thực phẩm, dược phẩm, hóa chất, dầu khí, công nghệ rô-bốt và y học. Hệ thống truyền động khí nén sở hữu nhiều đặc tính kỹ thuật bao gồm chi phí đầu tư thấp, khả năng đạt vận tốc làm việc lớn (vận tốc pít-tông có thể đạt $15\text{ m/s}$ và vận tốc quay của trục động cơ khí nén có thể đạt tới $100.000\text{ vòng/phút}$), kết cấu đơn giản, môi chất sạch, dễ bảo trì, nguồn khí cấp sẵn có và chi phí thấp. Ngoài ra, hệ thống có độ an toàn vận hành cao trong các môi trường dễ cháy nổ, môi trường nhiệt độ cao, độ ẩm cao hoặc chịu tác động của điện trường, từ trường và phóng xạ.

Mặc dù có nhiều ưu điểm, hệ thống truyền động khí nén tồn tại đặc tính động lực học phức tạp và phi tuyến bậc cao do ba nguyên nhân chính: tính nén được của không khí, đặc tính phi tuyến của van điều khiển khí nén và lực ma sát phi tuyến xuất hiện trong các cơ cấu chấp hành khí nén. Ma sát cơ học xuất hiện chủ yếu tại bề mặt tiếp xúc giữa các phớt làm kín của pít-tông, cần pít-tông với thân xy lanh và bạc dẫn hướng. Lực ma sát là nguyên nhân gây ra các hiện tượng phi tuyến bất lợi như chu kỳ giới hạn (limit cycle), dao động dính - trượt (stick-slip), làm suy giảm hiệu suất và giảm độ chính xác điều khiển vị trí của hệ thống truyền động khí nén. Do đó, việc nghiên cứu xây dựng và ứng dụng mô hình ma sát phù hợp vào bài toán mô phỏng động lực học và điều khiển hệ thống truyền động khí nén là một vấn đề kỹ thuật quan trọng.

Khoảng trống nghiên cứu được chỉ ra từ thực tiễn học thuật gồm hai vấn đề chính:

  1. Nhiều mô hình ma sát đã được đề xuất cho các cơ cấu cơ khí và cơ cấu chấp hành khí nén, nhưng việc khảo sát, đánh giá so sánh và lựa chọn một mô hình ma sát phù hợp nhất để ứng dụng vào mô phỏng chính xác các đặc tính động lực học của hệ thống truyền động khí nén vẫn chưa được thực hiện đầy đủ.
  2. Các phương pháp điều khiển hiện hành (như điều khiển đa mặt trượt) thường coi ma sát là một yếu tố bất định có giá trị giới hạn thay vì bù trừ trực tiếp dựa trên mô hình ma sát động, dẫn đến hạn chế về chất lượng điều khiển vị trí pít-tông tại các điểm dừng trung gian.

Luận án xác định hai mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu lựa chọn được một mô hình ma sát phù hợp nhất sử dụng trong mô phỏng hệ thống truyền động khí nén.
  2. Nghiên cứu xây dựng một phương pháp điều khiển mới điều khiển vị trí của xy lanh khí nén dựa trên mô hình ma sát.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống truyền động khí nén tỉ lệ, phục vụ các ứng dụng yêu cầu điều khiển chuyển động và dừng pít-tông xy lanh khí nén tại các điểm dừng trung gian xác định với độ chính xác vị trí cao. Đối tượng thử nghiệm trực tiếp là bàn thực nghiệm truyền động khí nén tỉ lệ được thiết kế, lắp đặt tại Phòng 207 nhà C8, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
  • Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn nghiên cứu trên hệ thống truyền động khí nén tỉ lệ sử dụng 01 xy lanh khí nén tác động hai phía có đường kính pít-tông $25\text{ mm}$, đường kính cần pít-tông $10\text{ mm}$, hành trình dịch chuyển lớn nhất $300\text{ mm}$, áp suất nguồn cấp khí nén thay đổi tối đa đến $8 \times 10^5\text{ N/m}^2$ (tương đương $0 \div 8\text{ bar}$) và tải trọng tác dụng quy về pít-tông lớn nhất là $5\text{ kg}$ (khảo sát trong dải từ $0{,}5\text{ kg}$ đến $5\text{ kg}$). Thời gian thực hiện các nội dung thực nghiệm từ tháng 10 năm 2015 đến tháng 4 năm 2021.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan lịch sử phát triển các mô hình ma sát trong cơ học và kỹ thuật điều khiển được tác giả hệ thống hóa qua nhiều giai đoạn nghiên cứu:

  • Các mô hình ma sát cổ điển: Khởi nguồn từ các quan sát của Leonardo da Vinci (1493), được Guillaume Amontons (1699) đề xuất và Charles-Augustin de Coulomb (1785) phát triển thành mô hình ma sát Coulomb ($F_c$), trong đó lực ma sát tỉ lệ thuận với phản lực pháp tuyến, ngược chiều vận tốc và không phụ thuộc diện tích tiếp xúc. Osborn Reynolds (1886) bổ sung thành phần ma sát nhớt ($F_v = \sigma_2 v$) tỉ lệ tuyến tính với vận tốc chuyển động của chất lỏng bôi trơn. Arthur Morin (1833) đưa ra khái niệm lực ma sát tĩnh ($F_s$) có độ lớn cực đại ở trạng thái nghỉ lớn hơn lực ma sát Coulomb. Richard Stribeck (1902) phát hiện hiện tượng lực ma sát suy giảm khi vận tốc tăng trong vùng vận tốc thấp, hình thành đường cong Stribeck với 4 giai đoạn bôi trơn: ma sát tĩnh (chưa có chuyển dịch), bôi trơn giới hạn (bắt đầu chuyển dịch), bôi trơn một phần (màng bôi trơn hình thành từng phần) và bôi trơn hoàn toàn bằng chất lỏng.
  • Các mô hình ma sát động: Dahl (thập niên 1960) đề xuất mô hình ma sát dựa trên hiện tượng biến dạng đàn hồi của các vi mấu tiếp xúc (tương tự định luật Hooke), mô tả được hiện tượng dịch chuyển trước khi trượt (presliding displacement) và độ trễ ma sát, song không mô tả được hiệu ứng Stribeck và hiện tượng dính - trượt. Canudas de Wit và cộng sự (1995) xây dựng mô hình ma sát LuGre dựa trên độ lệch trung bình $z$ của các sợi liên kết đàn hồi vi mô, tích hợp hàm Stribeck $g(v)$ và hệ số giảm chấn vi mô $\sigma_1$, giải thích được phần lớn các hiện tượng ma sát động. Để khắc phục các hạn chế của mô hình LuGre trong vùng trước khi trượt, Swevers và cộng sự đề xuất mô hình Leuven với các hàm trễ bổ sung; Dupont và cộng sự phát triển mô hình Elastoplastic để loại bỏ hiện tượng trôi dạt vi mô (drift); Al-Bender và cộng sự xây dựng mô hình Generalized Maxwell-Slip (GMS) kết hợp đa trạng thái phần tử Maxwell.

Trong lĩnh vực cơ cấu chấp hành khí nén:

  • Khảo sát thực nghiệm ma sát: Schroeder và cộng sự khảo sát lực ma sát ở chế độ trượt của xy lanh tác dụng hai phía, chỉ ra sự phụ thuộc của ma sát vào áp suất buồng khí; Belforte và cộng sự phân tích ảnh hưởng của kích thước xy lanh, vận tốc và áp suất nguồn đến độ lớn lực ma sát; Duong (2014) khảo sát ảnh hưởng của điều kiện nhiệt ẩm tại Việt Nam đến đường cong Stribeck, xác định vận tốc Stribeck nhỏ nhất nằm trong khoảng $25 \div 35\text{ mm/s}$, lực ma sát giảm $10% \div 17%$ khi nhiệt độ tăng từ $15^\circ\text{C}$ lên $50^\circ\text{C}$ và giảm $14% \div 24%$ khi độ ẩm tăng từ $51%$ lên $99%$; Nouri khảo sát đặc tính trễ có bộ nhớ không cục bộ (non-local memory) trong giai đoạn trước khi trượt; Tran và Yanada đo đạc đặc tính động của ba loại xy lanh khí nén; Tran và cộng sự tiếp tục phát triển mô hình ma sát LuGre cải tiến (RLuGre) bổ sung động lực học màng bôi trơn, thành phần pha dẫn bậc một cho ma sát nhớt ở dải vận tốc cao và hàm trễ phi tuyến $F(z)$ cho giai đoạn trước khi trượt.
  • Mô phỏng và điều khiển hệ thống khí nén: Wang và cộng sự xây dựng mô hình tầng phi tuyến; Richer và Hurmuzlu mô tả toàn diện hệ thống servo khí nén gồm buồng khí, đường ống và van; Takosoglu và cộng sự xây dựng mô hình đơn giản hóa; Tressler và cộng sự xem xét dòng khí sau tới hạn và ma sát nhớt; Mehmood và cộng sự áp dụng mô hình Dahl và LuGre cho van điều khiển tăng áp động cơ; Shuai Zhang và cộng sự mô phỏng hệ servo điện - khí nén xy lanh không cần; Xiaolong Liu và cộng sự kết hợp phương pháp Bond Graph mô phỏng hệ thống khí nén cho máy bay không người lái (UAV); Eduardo và cộng sự khẳng định tầm quan trọng của ma sát đối với độ chính xác định vị cơ cấu khí nén; Saravanakumar và Mohan lập mô hình hệ thống phi tuyến tích hợp mô hình LuGre.
  • Thuật toán điều khiển: Bobrow và Jabbari, McDonell và Bobrow áp dụng điều khiển thích nghi; Tanaka và cộng sự, Gross và Rattan tích hợp mạng nơ-ron với bộ điều khiển PID; Paul và cộng sự, Tang và Walker, Surgenor và Vaughan ứng dụng điều khiển trượt; Acarman và cộng sự, Yung và cộng sự dùng bộ quan sát gia tốc; Pandian và cộng sự dùng phản hồi độ chênh áp suất; Tsai và Huang đề xuất bộ điều khiển trượt đa mặt trượt (multi-sliding surface control) dựa trên các mặt trượt vị trí, vận tốc và lực, đạt sai số vị trí đỉnh $4%$; Armstrong-Helouvry chứng minh hiệu quả của bộ bù ma sát; Ning và Bone, Situm và cộng sự, Gao và Feng, Khayati và cộng sự, Drakunov và cộng sự, Lee và cộng sự đã triển khai các cấu trúc bù ma sát dựa trên logic mờ, mạng nơ-ron hoặc mô hình trạng thái ổn định.

Khoảng trống luận án tập trung giải quyết:

  1. Đánh giá định lượng mức độ ảnh hưởng của ba mô hình ma sát (mô hình trạng thái ổn định, mô hình LuGre và mô hình LuGre cải tiến) đối với độ chính xác mô phỏng động lực học hệ thống truyền động khí nén tỉ lệ.
  2. Xây dựng cấu trúc điều khiển vị trí pít-tông kết hợp giữa phương pháp điều khiển trượt đa mặt trượt và bộ bù ma sát động dựa trên mô hình LuGre, giải quyết sự suy giảm chất lượng điều khiển do hiện tượng ma sát gây ra tại các điểm dừng trung gian.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án phối hợp giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng số trên máy tính và nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình vật lý:

1. Cơ sở lý thuyết và khung mô hình toán học

  • Lý thuyết nhiệt động lực học và khí động lực học: Sử dụng Định luật I của Nhiệt động lực học và Định luật bảo toàn năng lượng để mô tả quá trình biến thiên trạng thái khí nén trong các khoang xy lanh. Phương trình lưu lượng khối lượng qua van tỉ lệ được xây dựng dựa trên phương trình Bernoulli cho dòng khí lý tưởng ở trạng thái đoạn nhiệt chảy từ trạng thái hãm qua diện tích cửa mở van $A$.
  • Các mô hình ma sát được khảo sát:
    1. Mô hình ma sát trạng thái ổn định: Biểu diễn lực ma sát $F_r$ qua đường cong Stribeck theo phương trình: $$F_r = \left[ F_c + (F_s - F_c)e^{-(v/v_s)^n} \right]\text{sgn}(v) + \sigma_2 v$$ gồm 5 thông số: lực ma sát tĩnh $F_s$, lực ma sát Coulomb $F_c$, vận tốc Stribeck $v_s$, số mũ Stribeck $n$ và hệ số ma sát nhớt $\sigma_2$.
    2. Mô hình ma sát LuGre: Mô tả sự biến dạng trung bình $z$ của các sợi liên kết đàn hồi vi mô: $$\frac{dz}{dt} = v - \frac{\sigma_0 |v|}{g(v)}z$$ $$g(v) = F_c + (F_s - F_c)e^{-(v/v_s)^n}$$ $$F_r = \sigma_0 z + \sigma_1 \frac{dz}{dt} + \sigma_2 v$$ gồm 7 thông số: 5 thông số tĩnh ($F_s, F_c, v_s, n, \sigma_2$) và 2 thông số động ($\sigma_0$ - độ cứng sợi liên kết, $\sigma_1$ - hệ số cản nhớt sợi liên kết).
    3. Mô hình ma sát LuGre cải tiến (RLuGre): Bổ sung động lực học màng chất lỏng/mỡ bôi trơn $h$, pha dẫn động học ở dải vận tốc cao và hàm trễ phi tuyến $F(z)$ trong giai đoạn trước khi trượt: $$\frac{dz}{dt} = v - \frac{F(z)}{g(v, h)}|v|$$ $$g(v, h) = F_c + (1 - h)(F_s - F_c)e^{-(v/v_s)^n}$$ $$F_r = F(z) + \sigma_1 \frac{dz}{dt} + \sigma_2\left(v + T\frac{dv}{dt}\right)$$ $$\frac{dh}{dt} = \frac{1}{\tau_h}(h_{ss} - h)$$ trong đó $T$ là hằng số thời gian pha dẫn, $\tau_h$ nhận các giá trị $\tau_{hp}, \tau_{hn}, \tau_{h0}$ tùy thuộc vào trạng thái tăng tốc, giảm tốc hoặc dừng, $h_{ss}$ là chiều dày màng bôi trơn không thứ nguyên ở trạng thái ổn định, và $F(z)$ gồm tập hợp các hàm phân đoạn $f_i(z) = f_i(z_i) + c_i(1 - e^{-k_i(z - z_i)})$.
  • Lý thuyết điều khiển tự động: Phương pháp điều khiển trượt đa mặt trượt (multi-sliding surface control) phối hợp bù ma sát LuGre, sử dụng lý thuyết ổn định Lyapunov để xác định điều kiện hội tụ và biên thông số điều khiển.

2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và trang thiết bị

Hệ thống thực nghiệm được thiết kế với cấu hình sử dụng hai van tỉ lệ lưu lượng điện - khí nén điều khiển độc lập hai khoang của một xy lanh khí nén tác động hai phía. Cấu hình hai van cho phép kiểm soát áp suất và lưu lượng từng khoang một cách linh hoạt, tạo các chế độ vận tốc và áp suất đa dạng để đánh giá ma sát.

STT Thiết bị Mã hiệu Thông số kỹ thuật chính Hãng sản xuất
1 Máy nén khí PK 1090A $p_{\max} = 8\text{ bar}$, lưu lượng $Q_{\max} = 720\text{ l/phút}$ PUMA
2 Bộ chuẩn bị nguồn khí GC 600-20 $p_{\max} = 10\text{ bar}$, lưu lượng $Q_{\max} = 720\text{ l/phút}$ Airtac
3 Van tỉ lệ lưu lượng (02 bộ) VEF3121-1-02 $p_{\max} = 1\text{ MPa}$, diện tích cửa lớn nhất $12\text{ mm}^2$, dòng cực đại $I_{\max} = 1\text{ A}$ SMC
4 Bộ khuếch đại tín hiệu van (02 bộ) VEA 250 Điện áp vào $0 \div 5\text{ VDC}$, dòng ra $0 \div 1\text{ A}$, sai số $\pm 1%\text{ F.S}$ SMC
5 Xy lanh khí nén CM2L25-300 Đường kính pít-tông $25\text{ mm}$, đường kính cần $10\text{ mm}$, hành trình $300\text{ mm}$ SMC
6 Cảm biến áp suất (02 bộ) PSE 540 Dải đo $0 \div 1\text{ MPa}$, sai số danh định $\le 2%\text{ F.S}$ (đánh giá thực tế $< 0{,}5%$) SMC
7 Cảm biến vị trí tuyến tính LWH0300 Dải đo $0 \div 300\text{ mm}$, sai số danh định $0{,}05%\text{ F.S}$ (đánh giá thực tế $< 0{,}2%$) Novotechnik
8 Card thu thập dữ liệu (DAQ) USB4711 Tốc độ lấy mẫu $150\text{ kS/s}$, 16 kênh AI 12-bit, 2 kênh AO 12-bit Advantech
9 Máy vi tính EliteBook 8560W Intel Core i7-2630QM CPU $2\text{ GHz}$, RAM 8GB, hệ điều hành 64-bit HP

3. Quy trình thu thập và xử lý dữ liệu

  • Phần mềm điều khiển và đo đạc được lập trình bằng ngôn ngữ Microsoft Visual C++, xuất tín hiệu điện áp điều khiển $u_1, u_2$ ($0 \div 5\text{ V}$) qua bộ D/A và thu nhận đồng thời tín hiệu từ cảm biến vị trí, cảm biến áp suất qua bộ A/D. Chu kỳ lấy mẫu đạt $1{,}16\text{ ms}$.
  • Vận tốc và gia tốc pít-tông được tính toán gián tiếp từ tín hiệu vị trí bằng phép lấy đạo hàm theo thời gian trên môi trường MATLAB/Simulink, sử dụng bộ lọc số acausal thông thấp (low-pass filter) với tần số cắt $32\text{ Hz}$ để triệt tiêu nhiễu đo.
  • Lực ma sát thực nghiệm $F_r$ được tính toán gián tiếp từ phương trình cân bằng động lực học pít-tông: $$F_r = p_1 A_1 - p_2 A_2 - Ma$$ trong đó $p_1, p_2$ là áp suất đo được tại hai buồng xy lanh, $A_1, A_2$ là diện tích hữu ích tương ứng của hai phía pít-tông, $M$ là khối lượng phần chuyển động và $a$ là gia tốc tính toán.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về các ứng dụng và đặc điểm làm việc của hệ thống truyền động khí nén trong các lĩnh vực công nghiệp chế tạo, rô-bốt, hàng không và tự động hóa. Phân tích sự khác biệt giữa hai nhóm hệ thống truyền động khí nén: nhóm làm việc theo chu trình (điều khiển logic đóng cắt, chỉ quan tâm đến các điểm cuối hành trình) và nhóm truyền động khí nén tỉ lệ/điều khiển số (yêu cầu điều khiển chuyển động bám quỹ đạo và dừng chính xác tại các vị trí trung gian bất kỳ).

Chương này phân tích kết cấu cơ khí của các cơ cấu chấp hành khí nén phổ biến: xy lanh tác dụng kép có cần pít-tông, xy lanh không cần và động cơ khí nén cánh gạt quay; xác định các bề mặt ma sát cơ học chủ yếu nằm tại vị trí tiếp xúc của phớt làm kín pít-tông, phớt cần pít-tông với thân xy lanh và bạc dẫn hướng. Đồng thời, chương 1 tổng kết các công trình nghiên cứu về mô hình hóa ma sát, mô phỏng động lực học và các thuật toán điều khiển vị trí khí nén, từ đó xác lập tính cấp thiết, mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài.

Chương 2: Các mô hình ma sát sử dụng trong nghiên cứu của luận án

Chương 2 mô tả chi tiết cơ sở toán học, đặc tính động học và phương pháp nhận dạng thông số của ba mô hình ma sát:

  1. Mô hình ma sát trạng thái ổn định: Trình bày phương trình lực ma sát theo đường cong Stribeck, phương pháp "chồng khít" (curve fitting) giữa dữ liệu thực nghiệm và đường cong mô phỏng để xác định 5 thông số ($F_s, F_c, v_s, n, \sigma_2$) theo các hàm nội suy của áp suất nguồn $p_s$ và độ chênh áp $\Delta p$.
  2. Mô hình ma sát LuGre: Phân tích cơ chế biến dạng của sợi liên kết đàn hồi vi mô qua biến trạng thái $z$, xác định 5 thông số tĩnh và 2 thông số động ($\sigma_0, \sigma_1$). Nêu rõ điều kiện xác định thông số $\sigma_1$ dựa trên bất đẳng thức $\sigma_1 < 2\sqrt{\sigma_0 F_c / (F_s - F_c)}$.
  3. Mô hình ma sát LuGre cải tiến (RLuGre): Phân tích các hạn chế của mô hình LuGre tiêu chuẩn khi vận tốc đảo chiều (không thể hiện độ suy giảm lực đứt gãy và kích thước vòng trễ ở dải vận tốc cao). Mô tả cấu trúc tích hợp phương trình vi phân biến thiên màng bôi trơn $h$, phương pháp xác định các hằng số thời gian $\tau_{hp} = 0{,}035\text{ s}, \tau_{hn} = 0{,}028\text{ s}, \tau_{h0}$, phương pháp xác định hằng số pha dẫn $T$ ($T = 0{,}33\text{ s}$ ở hành trình thuận và $T = 0{,}07\text{ s}$ ở hành trình nghịch với tải $178\text{ N}$ trong dữ liệu mẫu), và thuật toán xử lý hàm trễ phi tuyến $F(z)$ với bộ nhớ lưu trữ các điểm đảo chiều vận tốc $z_m, z_n$.

Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của mô hình ma sát trong mô phỏng động lực học xy lanh khí nén

Chương 3 trình bày việc thiết lập hệ thống thực nghiệm truyền động khí nén điều khiển tỉ lệ tại phòng thí nghiệm (Đại học Bách Khoa Hà Nội) với hai van tỉ lệ SMC VEF3121-1-02 và xy lanh SMC CM2L25-300. Xây dựng hệ thống phương trình vi phân mô tả động lực học toàn hệ thống dựa trên các định luật nhiệt động lực học, phương trình lưu lượng khí qua van tỉ lệ ở chế độ dòng hãm, biến thiên áp suất buồng khí và phương trình chuyển động pít-tông.

Chương này xây dựng mô hình mô phỏng số hoàn chỉnh trên phần mềm MATLAB/Simulink, tích hợp độc lập từng mô hình ma sát (trạng thái ổn định, LuGre, LuGre cải tiến). Thực hiện mô phỏng và đo đạc thực nghiệm dưới các điều kiện tín hiệu đầu vào van (tín hiệu bước, tín hiệu hình sin tần số $0 \div 2\text{ Hz}$), các mức áp suất nguồn ($0 \div 8\text{ bar}$) và các mức tải trọng khác nhau. Kết quả so sánh trực tiếp giữa mô phỏng và thực nghiệm cho thấy mô hình LuGre cải tiến có mức độ trùng khớp cao nhất với dữ liệu thực nghiệm về đáp ứng vị trí, áp suất buồng khí và lực ma sát động học.

Chương 4: Nghiên cứu ứng dụng của mô hình ma sát trong điều khiển vị trí pít-tông xy lanh khí nén

Chương 4 tập trung thiết kế bộ điều khiển phi tuyến cho hệ thống truyền động khí nén tỉ lệ. Thuật toán điều khiển được phát triển dựa trên phương pháp điều khiển trượt đa mặt trượt (multi-sliding surface control), thiết lập ba mặt trượt liên tiếp tương ứng với sai số vị trí, sai số vận tốc và sai số lực tác động. Tín hiệu điều khiển tổng hợp kết hợp thành phần điều khiển trượt với thành phần bù ma sát thời gian thực dựa trên mô hình ma sát động LuGre.

Chương này sử dụng phương pháp hàm Lyapunov để phân tích và chứng minh tính ổn định tiệm cận của toàn bộ hệ thống vòng kín, đồng thời xác lập các điều kiện ràng buộc đối với các hệ số khuếch đại điều khiển. Thuật toán điều khiển đề xuất được kiểm chứng thông qua mô phỏng trên MATLAB/Simulink và thử nghiệm thực tế trên bàn thực nghiệm với các quỹ đạo đặt vị trí khác nhau, các mức thay đổi tải trọng và dao động áp suất nguồn. Kết quả khẳng định việc kết hợp bộ bù ma sát động LuGre giúp cải thiện độ chính xác bám vị trí và giảm sai số xác lập tại các điểm dừng trung gian so với các bộ điều khiển trượt không bù ma sát.

Kết quả và những đóng góp mới

1. Những đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  • Đã đánh giá định lượng và làm rõ phạm vi ảnh hưởng của ba mô hình ma sát (mô hình ma sát trạng thái ổn định, mô hình ma sát động LuGre và mô hình ma sát động LuGre cải tiến) đến độ chính xác của bài toán mô phỏng động lực học hệ thống truyền động khí nén tỉ lệ.
  • Chứng minh và chỉ ra rằng mô hình ma sát LuGre cải tiến là mô hình phù hợp nhất trong số ba mô hình được khảo sát đối với cơ cấu chấp hành khí nén, nhờ khả năng mô tả chính xác các hiện tượng trễ có bộ nhớ không cục bộ trong giai đoạn trước khi trượt, sự biến thiên của lực đứt gãy và hiện tượng trễ động học ở dải vận tốc cao.
  • Đề xuất phương pháp điều khiển vị trí mới: Bộ điều khiển trượt đa mặt trượt kết hợp bộ bù ma sát dựa trên mô hình ma sát động LuGre, giải quyết bài toán nâng cao độ chính xác điều khiển vị trí pít-tông tại các điểm dừng trung gian mong muốn.
  • Xây dựng hoàn chỉnh bộ chương trình mô phỏng động lực học và mô phỏng thuật toán điều khiển hệ thống truyền động khí nén điều khiển tỉ lệ trên môi trường MATLAB/Simulink.

2. Những đóng góp về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất

  • Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm phục vụ công tác tính toán, thiết kế, mô phỏng và lựa chọn cấu hình phần tử (xy lanh, van tỉ lệ, cảm biến) cho các máy và hệ thống truyền động khí nén tỉ lệ công nghiệp.
  • Cung cấp giải pháp nâng cao chất lượng điều khiển chính xác vị trí cơ cấu chấp hành khí nén, mở rộng khả năng ứng dụng của truyền động khí nén trong các thiết bị công nghiệp yêu cầu định vị chính xác như máy gia công, dây chuyền lắp ráp tự động và cơ cấu chấp hành rô-bốt.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Phạm vi thực nghiệm của luận án giới hạn trên một loại kết cấu xy lanh khí nén tác dụng hai phía tiêu chuẩn có đường kính pít-tông $25\text{ mm}$, hành trình tối đa $300\text{ mm}$, dải tải trọng khảo sát dưới $5\text{ kg}$ và áp suất nguồn khí nén làm việc không vượt quá $8\text{ bar}$.
  • Quá trình thực nghiệm nhận dạng thông số ma sát được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ phòng thí nghiệm cố định, chưa mở rộng khảo sát thực nghiệm sự biến thiên liên tục của nhiệt độ và độ ẩm môi trường công nghiệp khắc nghiệt tác động đồng thời đến các thông số mô hình ma sát.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Mở rộng phạm vi thử nghiệm và kiểm chứng mô hình ma sát cũng như bộ điều khiển trên các cơ cấu chấp hành khí nén có đường kính lớn hơn, hành trình dài hơn và tải trọng làm việc cao hơn.
  • Nghiên cứu phát triển các thuật toán nhận dạng và tự chỉnh định thông số ma sát trực tuyến (online parameter estimation) kết hợp với bộ điều khiển thích nghi để thích ứng khi điều kiện bôi trơn, nhiệt độ và áp suất môi trường thay đổi theo thời gian thực.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho các đối tượng và lĩnh vực sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ điện tử, Máy và Tự động Thủy khí.
  • Các kỹ sư thiết kế hệ thống điều khiển tự động hóa công nghiệp, kỹ sư phát triển thiết bị khí nén chính xác.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu:

  • Chương 2: Phương pháp luận toán học, quy trình xác định thông số tĩnh và động của các mô hình ma sát (đặc biệt là mô hình LuGre cải tiến với động lực học màng bôi trơn và thuật toán hàm trễ phi tuyến $F(z)$).
  • Chương 3: Phương pháp thiết lập mô hình toán học nhiệt - khí động học cho hệ thống truyền động khí nén sử dụng 02 van tỉ lệ độc lập và quy trình đo đạc, xử lý dữ liệu thực nghiệm với card DAQ tốc độ cao.
  • Chương 4: Cấu trúc thiết kế bộ điều khiển trượt đa mặt trượt kết hợp bù ma sát động LuGre và quy trình chứng minh ổn định Lyapunov cho hệ thống phi tuyến bậc cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao hệ thống thực nghiệm của luận án lại sử dụng 02 van tỉ lệ lưu lượng thay vì 01 van phân phối tỉ lệ 5/3 thông thường?

Trong các van phân phối tỉ lệ 5/3 thông thường, việc cấp và xả khí giữa hai khoang xy lanh bị ràng buộc cơ khí đối xứng qua một tín hiệu điều khiển duy nhất, làm hạn chế khả năng thay đổi độc lập áp suất và lưu lượng từng khoang. Luận án sử dụng 02 van tỉ lệ lưu lượng điện - khí nén (VEF3121-1-02) điều khiển riêng biệt hai buồng của xy lanh nhằm chủ động thiết lập các chế độ làm việc khác nhau về vận tốc và áp suất, phục vụ việc khảo sát toàn diện các đặc tính ma sát ở nhiều điều kiện vận hành.

2. Mô hình ma sát LuGre cải tiến (RLuGre) có điểm gì khác biệt so với mô hình LuGre tiêu chuẩn?

Mô hình LuGre tiêu chuẩn không mô tả được sự suy giảm lực đứt gãy (break-away force) sau chu kỳ đầu khi đảo chiều vận tốc và không thể hiện được vòng trễ ma sát ở dải vận tốc cao đối với xy lanh. Mô hình LuGre cải tiến khắc phục các nhược điểm này bằng cách: (1) bổ sung biến động lực học màng bôi trơn $h$ vào hàm Stribeck $g(v, h)$, (2) bổ sung thành phần pha dẫn bậc một $\sigma_2(v + T dv/dt)$ vào lực ma sát nhớt, và (3) thay thế thành phần $\sigma_0 z$ bằng hàm trễ phi tuyến $F(z)$ với bộ nhớ không cục bộ trong giai đoạn trước khi trượt.

3. Các thông số vận tốc, gia tốc và lực ma sát được xác định trong thực nghiệm bằng phương pháp nào?

Trong hệ thống thực nghiệm, chỉ có vị trí pít-tông (đo bằng cảm biến Novotechnik LWH0300) và áp suất hai buồng xy lanh (đo bằng cảm biến SMC PSE 540) được đo trực tiếp. Vận tốc và gia tốc được tính toán gián tiếp bằng cách lấy đạo hàm số theo thời gian từ tín hiệu vị trí trên MATLAB/Simulink, sau đó lọc nhiễu bằng bộ lọc thông thấp acausal tần số $32\text{ Hz}$. Lực ma sát thực nghiệm $F_r$ được tính toán từ phương trình cân bằng động lực học $F_r = p_1 A_1 - p_2 A_2 - Ma$.

4. Cấu trúc bộ điều khiển vị trí được đề xuất trong Chương 4 gồm những thành phần nào?

Bộ điều khiển đề xuất kết hợp hai thành phần: (1) Bộ điều khiển trượt đa mặt trượt (multi-sliding surface controller) với ba mặt trượt liên tiếp về sai số vị trí, sai số vận tốc và sai số lực tác dụng nhằm xử lý tính phi tuyến bậc cao của động lực học khí nén; (2) Bộ bù ma sát thời gian thực dựa trên mô hình ma sát động LuGre nhằm triệt tiêu các tác động tiêu cực của lực ma sát lên chuyển động pít-tông.

5. Giới hạn dải thông số kỹ thuật của mô hình thực nghiệm trong luận án là bao nhiêu?

Hệ thống thực nghiệm sử dụng xy lanh khí nén SMC CM2L25-300 có đường kính trong pít-tông $25\text{ mm}$, đường kính cần pít-tông $10\text{ mm}$, hành trình tối đa $300\text{ mm}$, dải áp suất nguồn cấp từ $0$ đến $8\text{ bar}$ ($8 \times 10^5\text{ N/m}^2$) và tải trọng tác dụng quy về pít-tông trong khoảng $0{,}5 \div 5\text{ kg}$.

Kết luận

Luận án đã giải quyết bài toán mô phỏng và điều khiển vị trí cơ cấu chấp hành khí nén thông qua việc nghiên cứu ứng dụng các mô hình ma sát từ lý thuyết đến thực nghiệm. Công trình đã chứng minh mô hình ma sát LuGre cải tiến có khả năng mô phỏng chính xác nhất các đặc tính động lực học của xy lanh khí nén trong cả chế độ chuẩn bị trượt và chế độ trượt. Đồng thời, luận án đã xây dựng và kiểm chứng thành công bộ điều khiển trượt đa mặt trượt kết hợp bù ma sát LuGre, đảm bảo tính ổn định Lyapunov và nâng cao độ chính xác điều khiển vị trí pít-tông tại các điểm dừng trung gian.