Nghiên Cứu Ứng Dụng Mô Hình Ma Sát Trong Mô Phỏng Và Điều Khiển Xy Lanh Khí Nén

Nghiên cứu ứng dụng mô hình ma sát trong mô phỏng và điều khiển xy lanh khí nén, nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong công nghiệp.

• Tác giả: Nguyễn Văn Lại
• Người hướng dẫn: TS. Trần Khánh Dương
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Mô Hình Ma Sát Trong Mô Phỏng Và Điều Khiển Xy Lanh Khí Nén
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. Tính cấp thiết của đề tài
• 2. Mục đích nghiên cứu của Luận án
• 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Tóm tắt

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1. Tổng quan về hệ thống truyền động khí nén 1. Ứng dụng của hệ thống truyền động khí nén Hệ thống truyền động khí nén hiện nay được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp như trong lĩnh vực công nghiệp ô tô, xây dựng, giao thông hàng hải và hàng không, ngành in, các ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, hóa chất, dầu khí, rô-bốt, y học, v.1 là hình ảnh một số ứng dụng của các hệ thống truyền động khí nén trong các lĩnh vực khác nhau. Các hệ thống truyền động khí nén được sử dụng rộng rãi vì có nhiều ưu điểm sau: − Kết cấu đơn giản và dễ bảo dưỡng; − Độ an toàn làm việc cao trong các môi trường dễ cháy, nổ, có thể làm việc cả trong các môi trường khắc nghiệt (phóng xạ, hóa chất…); − Vận tốc hoạt động của cơ cấu chấp hành cao.

Vận tốc của pít-tông xy lanh khí nén có thể đạt 15 m/s (hoặc cao hơn) và vận tốc quay của trục ra của một số động cơ khí nén có thể lên đến 100000 vòng/phút [4]; − Nguồn không khí cung cấp rẻ, có sẵn và thân thiện với môi trường; − Có khả năng làm việc tự động theo chương trình hoặc với điều khiển từ xa. Tuy nhiên, hệ thống truyền động khí nén có một số nhược điểm sau [1]: − Các hệ truyền động khí nén thường có kích thước 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 được chính xác như đối với các hệ thống thủy lực; 5 luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep − Khi làm việc, các hệ thống khí nén cũng gây ồn hơn so với các hệ thống thủy lực… a). Trong công nghiệp ô tô [5] b). Trong lĩnh vực rô-bốt [6] c).

Trong lĩnh vực hàng không [8] e). Trong một số lĩnh vực công nghiệp khác [9] Hình 1. Hình ảnh một số ứng dụng của các hệ thống truyền động khí nén 6 luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep 1. Phân loại hệ thống truyền động khí nén Các ứng dụng của hệ thống truyền động khí nén hiện nay hầu hết được xếp vào loại hệ thống truyền động – tự động khí nén làm việc theo chu trình.

Đây là một hệ thống truyền động mà sau khi ta khởi động, hệ thống sẽ tự động làm việc, thực hiện một cách tuần tự, liên tục, nhắc lại từng bước công nghệ một, từ bước đầu tiên cho tới bước cuối cùng của chu trình công nghệ được áp đặt và khi kết thúc bước cuối thì quay trở lại bước đầu. Hệ thống chỉ dừng hoạt động khi có tín hiệu báo dừng hoặc khi có sự cố phá hủy hoạt động bình thường của nó. Khi thiết kế hệ điều khiển cho hệ thống này ta chỉ quan tâm đến việc cơ cấu chấp hành dừng đúng ở các vị trí điểm đầu, điểm cuối, một số điểm dừng trung gian xác định và thực hiện đúng chu trình hoạt động yêu cầu mà không quan tâm đến các vị trí trung gian của cơ cấp chấp hành [1]. Đối với các ứng dụng truyền động-tự động khí nén làm việc theo chu trình, các cơ cấu chấp hành có kích cỡ lớn và hành trình dài thường được sử dụng và cơ cấu chấp hành có thể hoạt động ở tốc độ cao.

Điều khiển các hệ thống truyền động khí nén làm việc theo chu trình thường dễ thực hiện dựa trên phương pháp điều khiển logic. Hệ thống điều khiển có thể sử dụng các phần tử khí nén, phần tử điện, hoặc kết hợp giữa điện -khí nén tùy vào nhu cầu ứng dụng. Trong thực tế, một yêu cầu thường gặp là hệ truyền động khí nén phải cho phép cơ cấu chấp hành dừng được ở các vị trí trung gian bất kỳ với độ chính xác vị trí cao ví dụ như ứng dụng hệ thống-tự động khí nén trong các máy CNC, rô bốt hỗ trợ phẫu thuật người bệnh, một số công đoạn trong dây chuyền lắp ráp tự động, máy đo đạc chính xác… Trong những trường hợp như vậy người ta phải sử dụng các hệ TĐKN điều khiển số hoặc các hệ thống tự động điều khiển điện – khí nén. Điều khiển vị trí độ chính xác cao tại các điểm dừng trung gian mong muốn với các CCCH khí nén của hệ thống TĐKN thường rất khó bởi vì hệ thống TĐKN được biết đến là hệ thống phức tạp và phi tuyến bậc cao do tính nén được của chất khí, đặc tính phi tuyến của van khí, và đặc biệt là do ảnh hưởng của ma sát tồn tại trong CCCH khí nén [2].

Ma sát thường tồn tại giữa các phớt làm kín của pít-tông/cần pít- tông và các bề mặt tiếp xúc của cơ cấu chấp hành khí nén và ảnh hưởng lớn đến động lực học và điều khiển của hệ thống TĐKN. Ma sát có thể gây ra chu kỳ giới hạn, các chuyển động dính-trượt không mong muốn và làm giảm hiệu suất cũng 7 luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep do an to nghiep docx 123docz luan van hay luan van tot nghiep 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. Trong các phần sau trình bày những nghiên cứu tổng quan về các mô hình ma sát nói chung đối với hệ thống cơ khí nói chung, các mô hình ma sát đã được đề xuất cho đến nay đối với hệ thống TĐKN nói riêng và những nghiên cứu tổng quan về mô phỏng và điều khiển hệ thống TĐKN.

Tổng quan về nghiên cứu phát triển các mô hình ma sát Hiện tượng ma sát đã được biết đến từ hàng trăm năm trước [10-12]. Cùng với sự phát triển khoa học và kỹ thuật, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về ma sát và đưa ra mô hình toán học về ma sát. Đầu tiên, mô hình ma sát của Leonardo da Vinci (1493) được Guillaume Amonton (1699) đề xuất và Charles Augustin de Coulomb (1785) phát triển, được gọi là mô hình ma sát Coulomb, trong đó lực ma sát tỉ lệ thuận với lực pháp tuyến, ngược chiều chuyển động và không phụ thuộc vào diện tích mặt tiếp xúc [10-12]. Mô hình ma sát Coulomb được mô tả trên Hình 1.2 và đặc tính ma sát Coulomb (FC) trên Hình 1.

Osborn Reynolds [13] giới thiệu thêm thành phần ma sát do tính nhớt của chất lỏng gây ra tỉ lệ với vận tốc. Thuật ngữ ma sát nhớt (Fv) được sử dụng cho thành phần này và đặc tính ma sát trên Hình 1. Arthur Morin [14] giới thiệu ý tưởng về lực ma sát ở trạng thái nghỉ có giá trị lớn hơn ma sát Coulomb và được gọi là ma sát Hình 1.