TỔNG HỢP LUẬT ĐIỀU KHIỂN CHO MỘT LỚP HỆ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC PHI TUYẾN CÓ YẾU TỐ BẤT ĐỊNH

Nghiên cứu tổng hợp luật điều khiển cho hệ truyền động thủy lực phi tuyến, yếu tố bất định. Giải pháp điều khiển tự động hóa tối ưu, hiệu quả cao.

• Tác giả: Trịnh Anh Văn
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Quang Hùng
• Trường học: Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa
• Đề tài: Tổng Hợp Luật Điều Khiển Cho Một Lớp Hệ Truyền Động Thủy Lực Phi Tuyến Có Yếu Tố Bất Định
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN THỦY LỰC
• 2. CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT NÂNG CAO TRONG CÁC HỆ PHI TUYẾN BẬC CAO CÓ NHIỄU VÀ BẤT ĐỊNH
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN THỦY LỰC KIỂU THỂ TÍCH
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG LUẬT ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC DẠNG TIẾT LƯU
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Hệ Truyền Động Thủy Lực Ứng Dụng Phát Triển

Hệ truyền động thủy lực đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật, đặc biệt là trong các ứng dụng quân sự và công nghiệp. Bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan về hệ truyền động thủy lực, bao gồm nguyên lý hoạt động, các thành phần cơ bản và ứng dụng. Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển và tự động hóa đã mở ra nhiều cơ hội để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống này. Trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, việc nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến cho hệ thống thủy lực là vô cùng cấp thiết. Một trong những thách thức lớn nhất là xử lý tính phi tuyến và bất định vốn có của các hệ thống này, đòi hỏi các giải pháp điều khiển thông minh và hiệu quả. Các hệ truyền động thủy lực được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng quân sự và dân sự thể hiện trong các nghiên cứu: [6], [12], [13], [14]. Vì vậy nghiên cứu điều khiển hệ điện thủy lực là có tính cấp thiết.

1.1. Các Thành Phần Cơ Bản của Hệ Truyền Động Thủy Lực

Hệ truyền động thủy lực bao gồm nhiều thành phần chính như bơm thủy lực, van điều khiển, xi lanh thủy lực, ống dẫn và bộ lọc. Bơm thủy lực có nhiệm vụ tạo ra áp suất và lưu lượng dầu cần thiết cho hệ thống. Van điều khiển được sử dụng để điều chỉnh hướng và lưu lượng dầu, từ đó kiểm soát chuyển động của xi lanh thủy lực. Xi lanh thủy lực chuyển đổi năng lượng thủy lực thành năng lượng cơ học, tạo ra lực và chuyển động cần thiết cho ứng dụng. Các thành phần khác như ống dẫn và bộ lọc đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả của hệ thống.

1.2. Ưu Điểm và Nhược Điểm của Hệ Truyền Động Thủy Lực

Hệ truyền động thủy lực có nhiều ưu điểm vượt trội so với các hệ truyền động khác, bao gồm khả năng tạo ra lực lớn, độ chính xác cao, khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt và khả năng truyền tải năng lượng hiệu quả. Tuy nhiên, hệ thống này cũng có một số nhược điểm như độ ồn cao, rò rỉ dầu và độ nhạy cảm với nhiệt độ. Ngoài ra, tính phi tuyến và bất định của hệ thống cũng gây khó khăn trong việc thiết kế và điều khiển. Các hệ thống kỹ thuật thường có mô hình phi tuyến: phi tuyến về cấu trúc, phi tuyến về tham số, đồng thời chịu tác động của các yếu tố bất định và nhiễu bên trong và bên ngoài nên các phương pháp thiết kế kinh điển dựa trên điều khiển tuyến tính trong nhiều trường hợp không đảm bảo được yêu cầu.

1.3. Xu Hướng Phát Triển của Hệ Truyền Động Thủy Lực

Xu hướng phát triển của hệ truyền động thủy lực tập trung vào việc nâng cao hiệu suất, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng cường khả năng điều khiển. Các nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc phát triển các loại van thủy lực mới với tính năng điều khiển tuyến tính, sử dụng các bộ điều khiển thông minh dựa trên fuzzy logic và neural network, và ứng dụng các vật liệu mới để giảm thiểu ma sát và rò rỉ. Đồng thời, việc tích hợp các hệ thống điều khiển số và cảm biến thông minh cũng giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Xu hướng phát triển đối với hệ thống điện thủy lực là tập trung vào hiệu suất làm việc, phát triển các loại van thủy lực mới các tính năng điều khiển tuyến tính, phát triển các bộ điều khiển khi xét các hệ thủy lực là phi tuyến bậc cao và có nhiễu.

II. Thách Thức Điều Khiển Hệ Thủy Lực Phi Tuyến Bất Định Giải Pháp

Việc điều khiển hệ truyền động thủy lực phi tuyến bất định là một thách thức lớn do tính phức tạp và khó dự đoán của hệ thống. Tính phi tuyến xuất phát từ các yếu tố như đặc tính dòng chảy, ma sát và độ nén của dầu thủy lực. Tính bất định xuất phát từ sự thay đổi của các tham số hệ thống, nhiễu bên ngoài và sai số mô hình. Để giải quyết những thách thức này, cần áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến, có khả năng thích nghi với sự thay đổi của hệ thống và loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu. Lý thuyết điều khiển bền vững và thích nghi được xem là các công cụ hữu hiệu [2], [3], [4], [5], [33]. 2 Hệ phi tuyến bậc cao được xem là hệ gồm nhiều các khâu phi tuyến nối tầng với nhau dẫn đến phương trình vi phân tổng quát mô tả động học của hệ thống là phương trình vi phân bậc cao.

2.1. Ảnh Hưởng của Tính Phi Tuyến và Bất Định Đến Điều Khiển

Tính phi tuyến và bất định có thể gây ra nhiều vấn đề trong quá trình điều khiển hệ truyền động thủy lực, bao gồm dao động, sai số lớn và mất ổn định. Các phương pháp điều khiển tuyến tính truyền thống thường không hiệu quả trong việc xử lý các vấn đề này. Do đó, cần sử dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến và thích nghi để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Tính phi tuyến và bất định gây khó khăn trong thiết kế và điều khiển. Cần sử dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến và thích nghi để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

2.2. Các Phương Pháp Điều Khiển Phi Tuyến Thường Dùng

Các phương pháp điều khiển phi tuyến thường dùng trong điều khiển hệ truyền động thủy lực bao gồm backstepping, sliding mode control, feedback linearization, fuzzy logic và neural network. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào đặc tính cụ thể của hệ thống và yêu cầu điều khiển. Lý thuyết phát triển theo hướng điều khiển hệ phi tuyến [20], [33], [73], [74], trong đó có hướng nghiên cứu về điều khiển trượt được trình bày trong [114], [115]; trong các nghiên cứu đã công bố gần đây có xét đến động học của cơ cấu chấp hành: Truyền động điện, điện thủ lực, khí nén.

2.3. Vai Trò của Điều Khiển Thích Nghi và Bền Vững

Điều khiển thích nghi và điều khiển bền vững đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý tính bất định và nhiễu trong hệ truyền động thủy lực. Điều khiển thích nghi cho phép hệ thống tự động điều chỉnh các tham số điều khiển để thích ứng với sự thay đổi của hệ thống và môi trường. Điều khiển bền vững đảm bảo rằng hệ thống vẫn hoạt động ổn định và đáp ứng yêu cầu điều khiển trong điều kiện có nhiễu và sai số mô hình. Các yếu tố bất định và nhiễu bên trong và bên ngoài nên các phương pháp thiết kế kinh điển dựa trên điều khiển tuyến tính trong nhiều trường hợp không đảm bảo được yêu cầu. Để giải quyết các vấn đề phức tạp trên, lý thuyết điều khiển bền vững và thích nghi được xem là các công cụ hữu hiệu [2], [3], [4], [5], [33].

III. Phương Pháp Backstepping Giải Pháp Điều Khiển Hệ Thủy Lực

Phương pháp Backstepping là một kỹ thuật điều khiển mạnh mẽ, đặc biệt hiệu quả cho các hệ phi tuyến bậc cao. Phương pháp này dựa trên việc thiết kế bộ điều khiển theo từng bước, bắt đầu từ trạng thái cuối cùng và tiến ngược trở lại trạng thái đầu tiên. Mỗi bước thiết kế đảm bảo rằng hệ thống con tương ứng là ổn định. Phương pháp này cho phép xử lý các yếu tố phi tuyến và bất định một cách hiệu quả, đồng thời đảm bảo tính ổn định và độ chính xác của hệ thống. Nghiên cứu kết hợp thuật toán điều khiển cuốn chiếu và điều khiển trượt nâng cao, áp dụng để tổng hợp bộ điều khiển thích nghi cho hệ phi tuyến bậc cao có nhiễu bảo đảm tính ổn định và bền vững đối với nhiễu và các thay đổi bất định của mô hình.

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động của Phương Pháp Backstepping

Phương pháp Backstepping dựa trên việc chia hệ thống thành nhiều hệ thống con nối tiếp nhau. Bộ điều khiển được thiết kế cho từng hệ thống con, bắt đầu từ hệ thống con cuối cùng. Mỗi bước thiết kế đảm bảo rằng hệ thống con tương ứng là ổn định. Quá trình này tiếp tục cho đến khi bộ điều khiển cho toàn bộ hệ thống được hoàn thành. Luận án đã đề xuất một cách tiếp cận tổng hợp bộ điều khiển cho một lớp hệ truyền động điện thủy lực phi tuyến có yếu tố bất định trên cơ sở ứng dụng backstepping trượt nâng cao bù nhiễu. Đây là một vấn đề có ý nghĩa trong lĩnh vực tự động hóa.

3.2. Ưu Điểm của Phương Pháp Backstepping Trong Điều Khiển Hệ Thủy Lực

Phương pháp Backstepping có nhiều ưu điểm vượt trội trong điều khiển hệ truyền động thủy lực, bao gồm khả năng xử lý tính phi tuyến và bất định, đảm bảo tính ổn định và độ chính xác của hệ thống, và dễ dàng tích hợp với các kỹ thuật điều khiển khác. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một số nhược điểm như tính toán phức tạp và yêu cầu thông tin chính xác về mô hình hệ thống. Ưu điểm là khả năng xử lý tính phi tuyến và bất định, đảm bảo tính ổn định và độ chính xác của hệ thống, và dễ dàng tích hợp với các kỹ thuật điều khiển khác. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một số nhược điểm như tính toán phức tạp và yêu cầu thông tin chính xác về mô hình hệ thống.

3.3. Kết Hợp Backstepping Với Điều Khiển Trượt Nâng Cao

Việc kết hợp phương pháp Backstepping với điều khiển trượt nâng cao cho phép tạo ra một bộ điều khiển mạnh mẽ, có khả năng xử lý cả tính phi tuyến và bất định, đồng thời đảm bảo tính ổn định và độ chính xác của hệ thống. Điều khiển trượt nâng cao giúp cải thiện tốc độ đáp ứng và giảm thiểu dao động của hệ thống. Từ đó, 6 đề xuất thuật toán tổng hợp luật điều khiển ứng dụng điều khiển Backstepping - trượt nâng cao có kết hợp quan sát nhiễu. Phần cuối của chương tiến hành mô phỏng kiểm chứng đánh giá tính đúng đắn của thuật toán đề xuất.

IV. Quan Sát Trượt Thích Nghi Ước Lượng Nhiễu và Bất Định Hiệu Quả

Bộ quan sát trượt thích nghi là một công cụ mạnh mẽ để ước lượng nhiễu và bất định trong hệ truyền động thủy lực. Bộ quan sát này sử dụng một mặt trượt để theo dõi trạng thái của hệ thống và ước lượng nhiễu và bất định dựa trên sai lệch giữa trạng thái thực tế và trạng thái dự đoán. Việc ước lượng chính xác nhiễu và bất định cho phép bù trừ chúng trong quá trình điều khiển, từ đó cải thiện đáng kể hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Nghiên cứu lý thuyết quan sát trượt để đánh giá nhiễu và bù thành phần bất định.

4.1. Nguyên Tắc Hoạt Động của Bộ Quan Sát Trượt

Bộ quan sát trượt dựa trên việc tạo ra một mặt trượt trong không gian trạng thái của hệ thống. Trạng thái của hệ thống được điều khiển để trượt trên mặt này. Sai lệch giữa trạng thái thực tế và trạng thái trên mặt trượt được sử dụng để ước lượng nhiễu và bất định. Lý thuyết quan sát trượt để đánh giá nhiễu và bù thành phần bất định. * Về mô phỏng kiểm chứng: Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống với tham số sát thực tế của khí tài trong Matlab-Simulink.

4.2. Ứng Dụng Bộ Quan Sát Trượt Thích Nghi Trong Hệ Thủy Lực

Trong hệ truyền động thủy lực, bộ quan sát trượt thích nghi có thể được sử dụng để ước lượng các loại nhiễu như nhiễu do ma sát, nhiễu do rò rỉ dầu và nhiễu do tải trọng thay đổi. Bộ quan sát này cũng có thể được sử dụng để ước lượng các tham số bất định của hệ thống, như độ cứng của lò xo và hệ số cản. Các thông tin này được sử dụng để cải thiện hiệu suất điều khiển. Kết quả của Chương 4 trong luận án tập trung nghiên cứu xây dựng luật điều chỉnh cho mô hình hệ ổn định sàn công tác của xe cơ động sử dụng hệ nhiều chân kích thủy lực dạng hở điều chỉnh theo dạng tiết lưu của van tỷ lệ, khi khai triển các thành phần nhiễu và bất định dưới dạng hàm và hằng bất định.

4.3. Ưu Điểm của Quan Sát Trượt Thích Nghi so với Quan Sát Khác

Bộ quan sát trượt thích nghi có nhiều ưu điểm so với các loại bộ quan sát khác, bao gồm khả năng ước lượng nhiễu và bất định một cách nhanh chóng và chính xác, khả năng hoạt động ổn định trong điều kiện có nhiễu lớn và khả năng thích nghi với sự thay đổi của hệ thống. Ngoài ra, bộ quan sát này ít nhạy cảm với sai số mô hình. Quan sát nhiễu và bất định trong hệ điện cơ. Nội dung của chương cung cấp những lý thuyết cơ sở mà luận án sẽ ứng dụng để tổng hợp bộ điều khiển cho đối tượng nghiên cứu của luận án.

V. Ứng Dụng Thực Tế Điều Khiển Hệ Truyền Động Thủy Lực Pháo Phòng Không

Các phương pháp điều khiển hệ truyền động thủy lực phi tuyến bất định đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong các hệ thống quân sự như pháo phòng không. Việc điều khiển chính xác và nhanh chóng hệ thống pháo phòng không là rất quan trọng để bảo vệ các mục tiêu khỏi các cuộc tấn công trên không. Các phương pháp điều khiển tiên tiến cho phép hệ thống pháo phòng không hoạt động hiệu quả trong điều kiện có nhiễu và bất định cao. Nghiên cứu đề xuất áp dụng kỹ thuật điều khiển hiện đại (điều khiển Backstepping kết hợp điều khiển trượt nâng cao, bộ quan sát trượt thích nghi .) tổng hợp luật điều khiển thích nghi kháng nhiễu cho hai đối tượng đã lựa chọn.

5.1. Mô Hình Hóa Hệ Truyền Động Thủy Lực Pháo Phòng Không

Mô hình hóa hệ truyền động thủy lực pháo phòng không là bước quan trọng để thiết kế và điều khiển hệ thống. Mô hình phải bao gồm các yếu tố phi tuyến như đặc tính dòng chảy, ma sát và độ nén của dầu thủy lực. Ngoài ra, mô hình cũng cần tính đến các yếu tố bất định như sự thay đổi của các tham số hệ thống và nhiễu bên ngoài. Xây dựng mô hình động học điều khiển hệ truyền động bám điện thủy lực dẫn động vũ khí đặt trên phương tiện cơ động . Phân tích xây dựng mô hình động học phần tháp pháo .

5.2. Điều Khiển Chính Xác Hệ Thống Pháo Phòng Không

Việc điều khiển chính xác hệ thống pháo phòng không đòi hỏi các phương pháp điều khiển tiên tiến, có khả năng xử lý tính phi tuyến và bất định, đồng thời đảm bảo tính ổn định và độ chính xác của hệ thống. Các phương pháp như Backstepping, sliding mode control và điều khiển thích nghi đã được ứng dụng thành công trong điều khiển hệ thống pháo phòng không. Xây dựng mô hình trạng thái của hệ truyền động tháp pháo có tính đến động học của hệ chấp hành thủy lực dạng kín . Xây dựng bộ quan sát trượt thích nghi đánh giá nhiễu để thực hiện bù nhiễu trong các bước biến đổi.

5.3. Kết Quả Mô Phỏng và Thực Nghiệm

Các kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy rằng các phương pháp điều khiển tiên tiến có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống pháo phòng không. Các phương pháp này cho phép hệ thống hoạt động hiệu quả trong điều kiện có nhiễu và bất định cao, đồng thời đảm bảo tính chính xác và ổn định của hệ thống. Mô phỏng kiểm chứng trên cơ sở Matlab-Simulink. Ngoài ra một số cơ sở toán học quan trọng xây dựng trong luận án cũng được tác giả lập trình mô phỏng trên Matlab để kiểm tra lại tính chính xác của các kết quả đạt được.

VI. Tương Lai Điều Khiển Hệ Truyền Động Thủy Lực Hướng Nghiên Cứu

Tương lai của điều khiển hệ truyền động thủy lực phi tuyến bất định hứa hẹn nhiều tiến bộ vượt bậc nhờ sự phát triển của các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo (AI), học máy (Machine Learning) và Internet vạn vật (IoT). Các công nghệ này cho phép thu thập và xử lý dữ liệu lớn, từ đó cải thiện khả năng mô hình hóa và điều khiển hệ thống. Ngoài ra, việc phát triển các vật liệu mới và các thành phần thủy lực thông minh cũng sẽ đóng góp vào việc nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển tiên tiến cho hệ thống thủy lực là vô cùng cấp thiết. Các hệ truyền động điện thủy lực có nhiều ứng dụng trong dân dụng và quân sự thể hiện trong các nghiên cứu: [6], [12], [13], [14]. Vì vậy nghiên cứu điều khiển hệ điện thủy lực là có tính cấp thiết.

6.1. Ứng Dụng Trí Tuệ Nhân Tạo Trong Điều Khiển

Trí tuệ nhân tạo có thể được sử dụng để xây dựng các bộ điều khiển thông minh, có khả năng tự học và thích nghi với sự thay đổi của hệ thống. Các thuật toán học máy có thể được sử dụng để ước lượng nhiễu và bất định, từ đó cải thiện khả năng điều khiển. Việc kết hợp AI với điều khiển thích nghi và bền vững hứa hẹn sẽ tạo ra các hệ thống điều khiển mạnh mẽ và linh hoạt. Trí tuệ nhân tạo có vai trò then chốt nhằm nâng cao độ chính xác, tăng tính tác động nhanh, mở rộng phạm vi làm việc ổn định của hệ thống trong điều kiện có tác động của nhiễu, tiết kiệm năng lượng, nâng cao khả năng tự động hóa duy trì hoạt động của hệ thống thay thế con người trong các ứng dụng điều khiển phức tạp hoặc nguy hại, đặc biệt trong các hoạt động quân sự [1].

6.2. Phát Triển Các Thành Phần Thủy Lực Thông Minh

Việc phát triển các thành phần thủy lực thông minh, như van điều khiển có cảm biến tích hợp và xi lanh thủy lực có khả năng tự điều chỉnh, sẽ cho phép thu thập dữ liệu và điều khiển hệ thống một cách chính xác hơn. Các thành phần này có thể được kết nối với Internet vạn vật (IoT) để tạo ra các hệ thống điều khiển từ xa và giám sát thời gian thực. Trong lĩnh vực Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, thời gian qua đã có sự phát triển mạnh mẽ trên các lĩnh vực kỹ thuật điều khiển tự động hiện đại và các thiết bị công nghệ thực thi các luật điều khiển.

6.3. Nghiên Cứu Các Phương Pháp Điều Khiển Mới

Nghiên cứu các phương pháp điều khiển mới, như điều khiển dự đoán mô hình (Model Predictive Control - MPC) và điều khiển dựa trên sự kiện (Event-Triggered Control), sẽ cho phép cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ truyền động thủy lực. Các phương pháp này có khả năng dự đoán trạng thái tương lai của hệ thống và điều khiển hệ thống một cách tối ưu dựa trên các dự đoán này. Trong khuôn khổ một luận án tiến sĩ kỹ thuật, tác giả chọn đề tài “Tổng hợp luật điều khiển cho một lớp hệ truyền động thủy lực phi tuyến có yếu tố bất định” Nội dung nghiên cứu này phù hợp với xu hướng nghiên cứu hiện nay và đáp ứng đòi hỏi thực tiễn của phát triển các khí tài quân sự.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 PHÂN TÍCH TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN THỦY LỰC Nội dung Chương này phân tích tổng quan về hệ truyền động với cơ cấu chấp hành là các phần tử thủy lực; làm rõ các đặc điểm điều khiển hệ thống, tính phi tuyến của mô hình động học động cơ chấp hành và bậc của hệ thống. Tổng quan về hệ truyền động điện thủy lực Nguyên lý biển đổi áp suất và động năng của dòng chảy chất lỏng (thủy lực) thành lực và mô men đã được trình bày trong [11], [15], [16], [26]…; cùng với sự phát triển của khoa học, kỹ thuật công nghệ, truyền động điện thủy lực được ứng dụng để giải quyết hàng loạt các bài toán và nhiệm vụ trong các lĩnh vực công nghiệp, quốc phòng, hàng không vũ trụ, phương tiện trên biển [55], [56]… Điển hình nhất trong số đó là điều khiển chuyển động của các đối tượng có khối lượng lớn hoặc mômen quán tính lớn. Ngoài tải trọng và mômen lớn, hệ thống truyền động còn có các yêu cầu hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau: chuyển động với tốc độ không đổi hoặc với một lực không đổi (lực hoặc mômen), bám sát vị trí với các dải tốc độ khác nhau, hoặc điều chỉnh xung quanh vị trí cân bằng [2], [3]. Xét các tổ hợp vũ khí, ứng dụng các cơ cấu chấp hành thủy lực tương đối phổ biến [113].

Ta có thể dẫn ra các ứng dụng: Hệ truyền động bám sát điện thủy lực trong các hệ thống súng, pháo trên các phương tiện cơ động, xe tăng, tàu biển, rada, tên lửa [6], [13], [14]…. Trong các tổ hợp này đòi hỏi đặc tính của truyền động có độ chính xác cao, đáp ứng thời gian nhanh, hiệu suất cao, mật độ năng lượng lớn, khả năng chịu quá tải lớn. Để đáp ứng được các yêu cầu cao, các cơ cấu trong hệ thủy lực đã được nghiên cứu, hoàn thiện theo nhiều hướng: Phần kết cấu cơ khí, vật liệu, và các cơ cấu điều chỉnh để bảo đảm tính điều khiển được hoàn toàn quá trình biến đổi năng lượng. Trong đó có thể thay đổi thiết kế cơ khí để bảo đảm tính kín khít để chịu được các áp lực cao, bền vững…, sử dụng vật liệu mới, ứng dụng 9 các công cụ và phương pháp điều khiển cải tiến, hiện đại [40], [55].

Với việc kết hợp các thiết bị mới và phương pháp điều khiển hiện đại có thể tạo ra các bộ truyền động điện - thủy lực đáp ứng đồng thời các yêu cầu ứng dụng. Nhiệm vụ thiết kế các hệ thống truyền động điện thủy lực và xây dựng các phương pháp điều khiển cho các hệ thống như vậy ngày nay hoàn toàn có thể giải quyết được [113]. Hệ thống truyền động thủy lực được mô tả như sơ đồ khối tại hình 1.1 bao gồm: Nguồn thủy lực: Nhận cơ năng từ bên ngoài, biến đổi thành áp suất và lưu lượng của dầu thủy lực thông qua các phần tử bơm. Cơ cấu chấp hành thủy lực: Thực hiện biến đổi áp suất, lưu lượng của dầu thủy lực thành lực hoặc mô men cung cấp cho tải thông qua mô hình động cơ thủy lực, xy-lanh thủy lực.

Cơ cấu điều chỉnh: Thực hiện quá trình điều chỉnh các hoạt động biến đổi năng lượng từ nguồn sơ cấp thành cơ năng trên tải theo yêu cầu. Ta có thể điều chỉnh hoạt động của quá trình biến đổi từ nguồn sơ cấp, điều chỉnh hoạt động của bơm, điều chỉnh hoạt động của động cơ thủy lực, điều chỉnh áp suất cung cấp đến động cơ… Tác động điều chỉnh Cơ cấu điều chỉnh Vị trí, tốc độ, mô men Động cơ truyền động (nguồn năng lượng cơ Động cơ Bơm thủy lực Tải học: Động cơ điện, động cơ đốt trong) Năng lượng dòng chảy Cơ năng được Cơ năng của môi chất công tác điều chỉnh Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống truyền động thủy lực 10 Để điều tiết được quá trình trao đổi năng lượng từ nguồn cơ năng sơ cấp sinh ra từ động cơ điện hoặc động cơ đốt trong thông qua mô hình hoạt động của bơm thủy lực, bơm thủy lực cung cấp áp suất làm việc của môi chất công tác, áp suất này có thể điều chỉnh một cách dễ dàng bằng các tác động điều khiển. Động cơ thủy lực hoạt động biến đổi năng lượng được tích trữ dưới dạng áp suất thành mô men, lực tác động đến tải.

Cơ cấu điều chỉnh thực hiện việc điều tiết quá trình trao đổi năng lượng giữa nguồn năng lượng sơ cấp với bơm để tạo ra áp suất làm việc phù hợp để động cơ thủy lực làm việc và chuyển áp suất thành cơ năng quay máy sản xuất (tải). Việc điều chỉnh ta có thể thực hiện thông qua các cơ chế: - Điều chỉnh tốc độ động cơ dẫn động bơm; - Điều chỉnh năng suất bơm; - Điều chỉnh thông qua thiết bị phân phối (van tỷ lệ, servo). Việc điều chỉnh quá trình biến đổi năng lượng trong các hệ truyền động thủy lực có nhiều phương pháp, dẫn đến một số nhận định rằng hệ truyền động thủy lực dễ điều khiển hơn hệ thống truyền động điện. Hệ truyền động điện thủy lực được xác định là hệ truyền động với cơ cấu chấp hành thủy lực được điều chỉnh bởi các phần tử điện từ.

Tính điều khiển được của hệ truyền động thủy lực Mặc dù truyền động điện đã trở thành phổ biến như hiện nay cho các hệ thống điều khiển chuyển động, nhưng hệ truyền động điện thủy lực vẫn có những ứng dụng đặc thù và đang được phát triển trong các hệ chuyển động. Ví dụ như các máy công trình, các máy công nghiệp, robot, các hệ truyền động vũ khí [6], [13], [14]… Tính điều khiển được của hệ truyền động điện thủy lực là thông qua tác động của tín hiệu đầu vào làm thay đổi lực và mô men trên cơ cấu chấp hành. So với hệ truyền động điện, ta thấy có mối quan hệ tương đồng giữa hai hệ thống thể hiện trên hình 1. Tính tương đồng giữa mạch điện và mạch thủy lực 1.

Phương pháp điều chỉnh qua phần tử van điều chỉnh lưu lượng Giả thiết nguồn cung cấp áp suất và lưu lượng là không đổi, cung cấp cho nhiều thiết bị thủy lực trong hệ thống. Tại mỗi vị trí của thiết bị chấp hành ta thực hiện điều chỉnh quá trình biến đổi thành cơ năng trên tải thông qua phần tử van thủy lực điều chỉnh tiết diện dẫn dầu thủy lực đi qua (tiết lưu). Ta có thể mô tả phương pháp điều chỉnh này trên hình 1.3 cho mô hình tải là xy-lanh thủy lực, động cơ thủy lực, hoặc hỗn hợp cả xy-lanh và động cơ thủy lực. Phương pháp điều chỉnh dùng van tiết lưu 12 Với phương pháp này, phần tử thực hiện điều chỉnh là van tiết lưu.

Phương pháp này có ưu điểm là thực hiện điều chỉnh đơn giản, phù hợp cho việc điều chỉnh nhiều đối tượng với một nguồn cung cấp. Tuy nhiên hiệu suất quá trình điều chỉnh không cao, nguồn cung cấp phải duy trì thường xuyên, không tận dụng được động năng của đường dầu hồi, và đặc tính điều chỉnh của van tiết lưu phi tuyến. Động học quá trình điều chỉnh có đáp ứng chậm, khi đảo chiều chuyển động còn tồn tại một vùng không nhạy. Phương pháp này tương tự như phương pháp điều chỉnh điện trở trong mạch điện.

Phương pháp điều chỉnh lưu lượng thông qua năng suất bơm Thực hiện điều tiết lưu lượng của nguồn thủy lực, lưu lượng thay đổi dẫn đến áp suất thay đổi trong một đơn vị thể tích. Phương pháp này thực hiện được trên cơ sở kết cấu của phần tử bơm thủy lực. Có thể kết hợp với phương pháp điều chỉnh tiết lưu (Hình 1. a - tải xilanh; b – tải động cơ thủy lực; c – tải xilanh và động cơ thủy lực Hình 1.

Phương pháp điều chỉnh lưu lượng 13 Đối với phương pháp này có ưu điểm là tận dụng được năng lượng của đường dầu hồi dẫn đến hiệu suất quá trình làm việc cao hơn, động học quá trình điều chỉnh nhanh hơn, việc đảo chiều tốt hơn so với phương pháp tiết lưu. Nhược điểm là một nguồn chỉ cung cấp cho một tải. Phương pháp này tương đương với việc điều chỉnh dòng điện trong mạch điện, phù hợp với các hệ truyền động súng pháo trên phương tiện cơ động [13], [14], [41]… 1. Phương pháp điều chỉnh động cơ dẫn động bơm Ngoài các phương pháp trên, ta có thể thực hiện điều chỉnh thông qua việc điều chỉnh tốc động hệ truyền động điện dẫn động bơm (Hình 1.

Ta có thể thấy phương pháp này thực hiện điều chỉnh nguồn cơ năng cung cấp cho hệ bơm. Phương pháp điều chỉnh động cơ dẫn động bơm (nguồn sơ cấp) Theo cách này ta có thể quy đổi về lớp bài toán điều chỉnh truyền động điện, khi đó tải phần phủy lực có thể quy đổi về thành phần mô men cản trên đầu trục động cơ. Tuy nhiên mục tiêu điều khiển cũng được quy đổi tương đương về tốc độ quay của động cơ dẫn động bơm. Hay nói cách khác điều chỉnh lưu lượng dầu cung cấp thông qua tốc độ quay của bơm.

Các phần tử cơ bản của hệ thống truyền động thủy lực Các phần tử trong hệ thống có các ký hiệu theo quy ước chung, ví dụ một hệ thống thủy lực được mô tả trên hình 1. 14 1 - Nguồn thủy lực, 2 -Van tỷ lệ điều chỉnh lưu lượng, 3 -Van điện từ hai trạng thái, 4 -Cảm biến áp suất, 5 - Xy-lanh chấp hành, 6 - Cảm biến vị trí Hình 1. Sơ đồ hệ truyền động thủy lực Tương tự như cách tiếp cận của các phần tử trong mạch điện, các phần tử trong mạch thủy lực đã dẫn ra trong [40] bao gồm các thành phần sau: a. Nguồn thủy lực, dầu thủy lực và các đặc tính của nó: Nguồn thủy lực bảo đảm áp suất 𝑝 và lưu lượng dầu cung cấp 𝑄 cho hệ thống làm việc từ nguồn cơ năng sơ cấp cung cấp cho bơm thủy lực.

Với giả thiết nguồn cung cấp là lý tưởng. Dầu thủy lực là môi chất làm nhiệm vụ trung chuyển năng lượng, có tính nhớt, và tính đàn hồi [40], trong quá trình làm việc, nhiệt độ của dầu thay đổi. Các phần tử van thủy lực và đường ống, bình tích… Các phần tử van thực hiện các chức năng: phân chia (van hướng), bảo vệ (van an toàn), van chặn một chiều, van tỷ lệ, van servo [40]. Các phần tử chấp hành thủy lực: Các phần tử chấp hành bao gồm: xy-lanh thủy lực, động cơ thủy lực [40] 15 d.

Các phần tử cảm biến đo lường các đại lượng lưu lượng, áp suất, dịch chuyển Để nhận được các tín hiệu mang thông tin về trạng thái làm việc của hệ thống, người ta sử dụng các phần tử cảm biến.