I. Tổng Quan Về Ứng Dụng Mô Hình Ma Sát Khí Nén Hiện Nay
Hệ thống truyền động khí nén (TĐKN) ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Ưu điểm của hệ thống này bao gồm chi phí thấp, tốc độ hoạt động lớn, sạch sẽ, dễ bảo trì và thay thế, nguồn khí cung cấp rẻ và sẵn có. Đặc biệt, hệ thống TĐKN được ưu tiên sử dụng trong các môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao, độ ẩm cao, và chịu tác động của từ trường, điện trường, và phóng xạ. Tuy nhiên, hệ thống TĐKN có đặc tính động lực học phức tạp và phi tuyến bậc cao do tính nén được của không khí, đặc tính phi tuyến của van khí và lực ma sát trong các cơ cấu chấp hành (CCCH) khí nén. Ma sát thường tồn tại giữa bề mặt các phớt làm kín và các bề mặt tiếp xúc của CCCH khí nén. Theo nghiên cứu, ma sát ảnh hưởng lớn đến động lực học và điều khiển của hệ thống truyền động khí nén. Nó có thể gây ra chu kỳ giới hạn, các chuyển động dính-trượt không mong muốn, giảm hiệu suất hoạt động hệ thống và giảm chất lượng điều khiển của hệ thống TĐKN.
1.1. Ưu Điểm Vượt Trội Của Hệ Thống Truyền Động Khí Nén
Hệ thống truyền động khí nén sở hữu nhiều ưu điểm nổi bật. Kết cấu đơn giản và dễ bảo dưỡng là một lợi thế lớn. Độ an toàn làm việc cao trong các môi trường dễ cháy, nổ, và khả năng làm việc trong môi trường khắc nghiệt (phóng xạ, hóa chất…) cũng rất quan trọng. Vận tốc hoạt động của cơ cấu chấp hành cao, với vận tốc piston xy lanh khí nén có thể đạt 15 m/s hoặc cao hơn. Nguồn không khí cung cấp rẻ, sẵn có và thân thiện với môi trường. Khả năng làm việc tự động theo chương trình hoặc với điều khiển từ xa cũng là một điểm cộng lớn.
1.2. Nhược Điểm Cần Lưu Ý Của Hệ Thống Khí Nén
Bên cạnh những ưu điểm, hệ thống truyền động khí nén cũng tồn tại một số nhược điểm. Kích thước thường lớn hơn so với các hệ thủy lực có cùng công suất. Tính nén được của không khí khá lớn, ảnh hưởng đáng kể tới chất lượng làm việc của hệ thống. Do vận tốc của cơ cấu chấp hành khí nén lớn hơn nên dễ xảy ra va đập ở cuối hành trình. Việc điều khiển theo quy luật vận tốc cho trước và dừng ở các vị trí trung gian cũng khó thực hiện chính xác như đối với các hệ thống thủy lực. Ngoài ra, khi làm việc, các hệ thống khí nén cũng gây ồn hơn so với các hệ thống thủy lực.
II. Thách Thức Điều Khiển Chính Xác Xy Lanh Khí Nén Do Ma Sát
Vấn đề nghiên cứu nâng cao hiệu suất hoạt động và nâng cao chất lượng điều khiển của hệ thống TĐKN phụ thuộc một phần lớn vào việc nghiên cứu xây dựng mô hình ma sát của CCCH khí nén. Đến nay, nhiều mô hình ma sát đã được đề xuất đối với các cơ cấu chấp hành cơ khí nói chung và với các CCCH khí nén nói riêng. Tuy nhiên, việc nghiên cứu lựa chọn một mô hình ma sát phù hợp nhất sử dụng trong mô phỏng cũng như trong điều khiển hệ thống TĐKN trong số các mô hình ma sát đã phát triển vẫn chưa được thực hiện. Do đó, việc nghiên cứu ứng dụng mô hình ma sát trong mô phỏng và điều khiển xy lanh khí nén là rất quan trọng.
2.1. Ảnh Hưởng Của Ma Sát Đến Hiệu Suất Hệ Thống Khí Nén
Ma sát có thể gây ra chu kỳ giới hạn, các chuyển động dính-trượt không mong muốn và làm giảm hiệu suất cũng như chất lượng điều khiển của hệ thống TĐKN. Do đó, việc nghiên cứu hiểu rõ đầy đủ về các đặc tính ma sát trong các CCCH khí nén và xây dựng được một mô hình ma sát phù hợp đối với các CCCH khí nén là rất cần thiết để nâng cao khả năng thiết kế các hệ thống truyền động khí nén hoặc để nâng cao chất lượng điều khiển của hệ thống TĐKN.
2.2. Tại Sao Cần Nghiên Cứu Mô Hình Ma Sát Phù Hợp Nhất
Việc lựa chọn một mô hình ma sát phù hợp nhất để sử dụng trong mô phỏng và điều khiển hệ thống TĐKN là một thách thức. Mặc dù nhiều mô hình ma sát đã được đề xuất, nhưng việc xác định mô hình nào mang lại kết quả chính xác và hiệu quả nhất vẫn còn là một vấn đề cần giải quyết. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá và so sánh các mô hình ma sát khác nhau để tìm ra mô hình tối ưu cho ứng dụng điều khiển xy lanh khí nén.
III. Phương Pháp Xây Dựng Mô Hình Ma Sát Cho Xy Lanh Khí Nén
Để thực hiện mục tiêu nghiên cứu, cần xây dựng một hệ thống tự động điều khiển điện – khí nén thực nghiệm. Hệ thống này sử dụng hai van tỉ lệ lưu lượng khí nén, một xy lanh khí nén, một cảm biến vị trí tuyến tính, và hai cảm biến áp suất. Các đặc tính hoạt động của hệ thống như vị trí xy lanh, áp suất trong các khoang của xy lanh và lực ma sát được đo đạc, tính toán và phân tích dưới các điều kiện hoạt động khác nhau của tín hiệu đầu vào van tỉ lệ khí nén. Tiếp đến, xây dựng mô hình toán học của toàn bộ hệ thống trong đó tích hợp mô hình ma sát được lựa chọn.
3.1. Lựa Chọn Các Mô Hình Ma Sát Để Nghiên Cứu
Trong nghiên cứu của luận án, ba mô hình ma sát được lựa chọn: mô hình ma sát trạng thái ổn định, mô hình ma sát LuGre, và mô hình ma sát LuGre cải tiến. Sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink để mô phỏng các đặc tính hoạt động của hệ thống với cùng điều kiện hoạt động như thực nghiệm để so sánh đánh giá ảnh hưởng của từng mô hình ma sát đã lựa chọn.
3.2. Xây Dựng Mô Hình Toán Học Tích Hợp Ma Sát
Việc xây dựng mô hình toán học của toàn bộ hệ thống là bước quan trọng. Mô hình này phải tích hợp được mô hình ma sát đã chọn và mô tả chính xác các đặc tính động học của hệ thống. Các thông số của mô hình cần được xác định thông qua thực nghiệm và hiệu chỉnh để đảm bảo độ chính xác cao nhất.
3.3. Mô Phỏng Bằng MATLAB Simulink Để Đánh Giá Ảnh Hưởng
Sử dụng phần mềm MATLAB/Simulink để mô phỏng các đặc tính hoạt động của hệ thống với cùng điều kiện hoạt động như thực nghiệm. So sánh và đánh giá ảnh hưởng của từng mô hình ma sát đã lựa chọn. Phân tích kết quả mô phỏng để xác định mô hình ma sát nào phù hợp nhất với hệ thống xy lanh khí nén.
IV. Giải Pháp Điều Khiển Vị Trí Xy Lanh Khí Nén Dựa Trên Ma Sát
Xây dựng một bộ điều khiển mới: Bộ điều khiển trượt đa mặt trượt kết hợp một bộ bù ma sát dựa trên mô hình ma sát động LuGre. Đầu tiên, xây dựng mô hình toán học của 3 hệ thống phù hợp với phương pháp điều khiển trượt đa mặt trượt và tín hiệu điều khiển được xây dựng dựa trên tín hiệu điều khiển đa mặt trượt kết hợp với bù ma sát. Tiếp theo, khảo sát tính ổn định của hệ thống để đưa ra các điều kiện ổn định của thông số điều khiển.
4.1. Thiết Kế Bộ Điều Khiển Trượt Đa Mặt Trượt Kết Hợp Bù Ma Sát
Bộ điều khiển trượt đa mặt trượt kết hợp bù ma sát là một giải pháp hiệu quả để điều khiển vị trí xy lanh khí nén. Phương pháp này sử dụng mô hình ma sát động LuGre để bù trừ ảnh hưởng của ma sát, giúp cải thiện độ chính xác và ổn định của hệ thống.
4.2. Khảo Sát Tính Ổn Định Của Hệ Thống Điều Khiển
Việc khảo sát tính ổn định của hệ thống điều khiển là rất quan trọng. Cần xác định các điều kiện ổn định của thông số điều khiển để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và không bị dao động.
V. Ứng Dụng Thực Tế Kết Quả Nghiên Cứu Mô Hình Ma Sát
Kết quả của nghiên cứu này có thể được ứng dụng trong thực tiễn để nâng cao hiệu quả trong việc tính toán, thiết kế và lựa chọn các phần tử của các máy và hệ thống tự động điều khiển điện – khí nén nói riêng và hệ thống TĐKN nói chung. Đồng thời, nâng cao chất lượng điều khiển các máy và dây chuyền tự động khí nén công nghiệp.
5.1. Nâng Cao Hiệu Quả Thiết Kế Hệ Thống Truyền Động Khí Nén
Nghiên cứu này cung cấp cơ sở khoa học để nâng cao hiệu quả trong việc tính toán, thiết kế và lựa chọn các phần tử của các máy và hệ thống tự động điều khiển điện – khí nén nói riêng và hệ thống TĐKN nói chung. Việc hiểu rõ về mô hình ma sát giúp kỹ sư thiết kế hệ thống chính xác và hiệu quả hơn.
5.2. Cải Thiện Chất Lượng Điều Khiển Trong Công Nghiệp
Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng để nâng cao chất lượng điều khiển các máy và dây chuyền tự động khí nén công nghiệp. Việc bù trừ ảnh hưởng của ma sát giúp cải thiện độ chính xác và ổn định của hệ thống, từ đó nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm.
VI. Đóng Góp Mới Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Ma Sát Khí Nén
Nghiên cứu này có những đóng góp mới sau: Đánh giá được ảnh hưởng của ba mô hình ma sát bao gồm mô hình ma sát trạng thái ổn định, mô hình ma sát động LuGre và mô hình ma sát động LuGre cải tiến đến khả năng mô phỏng đặc tính hoạt động của hệ thống TĐKN. Chỉ ra rằng mô hình ma sát LuGre cải tiến là mô hình ma sát phù hợp nhất trong số ba mô hình được khảo sát cho các CCCH khí nén trong việc mô phỏng đặc tính hoạt động của hệ thống TĐKN. Đề xuất được một phương pháp điều khiển mới bởi sử dụng phương pháp điều khiển phi tuyến kết hợp với bù ma sát cải thiện chất lượng điều khiển vị trí piston xy lanh khí nén.
6.1. Đánh Giá Ảnh Hưởng Của Các Mô Hình Ma Sát Khác Nhau
Nghiên cứu này đánh giá một cách toàn diện ảnh hưởng của ba mô hình ma sát khác nhau đến khả năng mô phỏng đặc tính hoạt động của hệ thống TĐKN. Kết quả cho thấy mô hình ma sát LuGre cải tiến mang lại kết quả chính xác nhất.
6.2. Đề Xuất Phương Pháp Điều Khiển Mới Với Bù Ma Sát
Nghiên cứu đề xuất một phương pháp điều khiển mới kết hợp phương pháp điều khiển phi tuyến với bù ma sát. Phương pháp này giúp cải thiện đáng kể chất lượng điều khiển vị trí piston xy lanh khí nén.
