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. Hệ truyền động thủy lực sau đó đã phát triển chủ yếu từ đầu thế kỷ 20, các hệ thủy lực thế hệ đầu tiên bao gồm một số thiết bị điều khiển dòng chảy (áp suất và lưu lượng), điều khiển cơ cấu chấp hành thủy lực theo phương pháp đóng, mở và đảo chiều. Các ứng dụng phổ biến thời đó chỉ giới hạn trong các máy ép thuỷ lực và tời thủy lực.
Ưu điểm chính đó là cho công suất lớn, tải trọng cao (lực hoặc mô men) và kết cấu nhỏ gọn. Ngoài ra, thông thường là hệ truyền động trực tiếp không qua hộp tốc độ nên hạn chế sai số tỷ số truyền, mài mòn,… Trong thời kỳ ban đầu các hệ truyền động thủy lực được sử dụng chủ yếu đóng mở điều khiển vòng hở. Blackburn và công sự (1960) [45] đã phát triển ứng dụng trong điều khiển vô cấp hệ thủy lực vòng kín với độ chính xác cao. Kể từ đó đến nay đã có hàng loạt các ứng dụng trong ngành công nghiệp.
Hệ thống điều khiển vô cấp thủy lực được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, theo Reinhard Brandstetter và cộng sự [55] phân tích vai trò quan trọng của hệ điều khiển tự động thủy lực trong “cuộc cách mạng công nghiệp 4.0”: 6 - Một số máy đòi hỏi có lực hoặc mô men xoắn lớn (máy ép công nghiệp, nâng di động, máy xúc, máy đào, thiết bị xử lý vật liệu, vv); - Yêu cầu đáp ứng nhanh, độ chính xác về vận tốc và tải trọng (một số máy công cụ, máy bay, máy cán tạo hình, vv); - Yêu cầu điều khiển chính xác vị trí (các vị trí trong thiết bị bay, chuyển động tịnh tiến trong máy công cụ, robot công nghiệp, vv); - Khi cần, phải có điều khiển bằng tay đối với các chuyển động liên quan đến trợ lực thủy lực (máy móc hạng nặng, điều khiển máy bay, hệ thống trợ lực tay lái ô tô, vv). Theo Merritt, 1967 [45]; Bauer, 1998 [17]; Will và công sự, 1999 [67] đã chứng minh hệ thống truyền động và điều khiển tự động thủy lực có nhiều ưu điểm nổi bật hơn so với các hệ truyền động và điều khiển tự động khác (truyền động cơ khí, truyền động động cơ điện), cụ thể: - Hệ thống thủy lực có thể tạo ra lực/mô men lớn hơn và có độ cứng cao hơn. Lưu chất truyền năng lượng là dầu, ngoài chức năng tạo thế năng (áp suất, lưu lượng) nó còn có chức năng như một chất bôi trơn, bảo quản thiết bị và phục hồi năng lượng; - Hệ truyền động thủy lực có tốc độ đáp ứng cao hơn khi khởi động, dừng và đảo chiều tốc độ; - Hệ thống thủy lực có thể được vận hành ở các điều kiện làm việc khác nhau (liên tục, gián đoạn, đảo chiều, …); - Cả hai cơ cấu truyền động tạo chuyển động thẳng và chuyển động quay đều tiêu chuẩn hóa, tích hợp dễ dàng vào thế giới điện tử và kỹ thuật số nên linh hoạt trong việc tính toán thiết kế các hệ truyền động cho cơ cấu chấp hành; - Bảo vệ quá tải rất dễ dàng; - Các phần tử thủy lực trong hệ thống có kết cấu nhỏ gọn với tuổi thọ của các thiết bị cao; - Các phần tử dẫn và bị dẫn không phụ thuộc nhau nên việc bố trí tổng thể hệ thống dễ dàng và kết cấu chung gọn nhẹ; 7 - Cấu hình điều khiển hệ thống thông qua phần mềm. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm của truyền động và điều khiển hệ thủy lực đề cập trên thì vẫn tồn tại một số nhược điểm sau (Merritt, 1967; Bauer, 1998; Will và công sự, 1999) [17], [45], [67]: - Giá thành cao, do độ chính xác chế tạo đòi hỏi cao (hiện nay chi phí đã có giảm [60]); - Các mối nguy hiểm về cháy và nổ có thể xảy ra nếu hệ thống thủy lực được sử dụng gần nguồn gây cháy (hiện nay vấn đề này được khắc phục gần như hoàn toàn vì trong lưu chất truyền động đã loại bỏ chất gây cháy); - Chất lỏng bẩn nếu có rò rỉ ra ngoài và gây ô nhiễm.
Mặt khác, chất cặn bẩn có thể dẫn đến tắc nghẽn van và bộ truyền động; - Các đặc tính động lực học của hệ thống thủy lực là phi tuyến tính và tương đối khó điều khiển, đặc biệt ở vận tốc cao; - Tiếng ồn: Tiếng ồn là đặc biệt quan tâm hiện nay, vì công suất cao đồng nghĩa với áp suất vận hành cao và tiếng ồn tăng lên. Các nhà sản xuất thiết bị đã có yêu cầu thông số kỹ thuật và tiêu chuẩn để giảm tiếng ồn (nhằm tránh tình trạng ảnh hưởng đến sức khoẻ của người vận hành) và đang được áp dụng ở nhiều nước hiện nay. Các công trình đã được công bố có liên quan đến nội dung nghiên cứu Trong các tài liệu được công bố trên các tạp chí và sách chuyên khảo, hệ truyền động và điều khiển thủy lực được ứng dụng để điều khiển tải trọng, vận tốc và vị trí của cơ cấu chấp hành, cụ thể: Xilanh thủy lực: điều khiển lực, vận tốc dài và vị trí di chuyển của cần piston; Động cơ thủy lực: điều khiển mô men xoắn, vận tốc góc và góc quay của trục rôto. Hệ truyền động và điều khiển tải trọng hệ thủy lực Garett A.
Sohl và cộng sự [29] đã báo cáo kết quả các mô phỏng và thực nghiệm về điều khiển tải trọng và vị trí của hệ thủy lực chuyển động tịnh tiến, trong đó, ứng dụng bộ điều khiển theo P, PD để điều khiển. Mô tả toán học bằng các phương trình vi phân và thực hiện luật điều khiển phi tuyến, bộ điều khiển để ổn định lực theo quy luật hàm mũ và điều khiển vị trí là chính xác (trong đó có tính đến 8 ma sát và sai số khác trong các thông số vật lý). Kết luận của bài báo về điều khiển lực và vị trí của piston đạt yêu cầu theo đúng mong muốn đặt ra với sai số ≤ 10%. Theo tài liệu [44], [54], [63], [70], đã công bố về ứng dụng bộ điều khiển PID mờ để điều khiển hệ thủy lực.
Trong đó, Đinh Quang Trường và cộng sự công bố kết quả mô phỏng và thực nghiệm điều khiển tải của hệ chuyển động tịnh tiến khi ứng dụng bộ điều khiển PID mờ. Các kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển PID mờ cho đáp ứng tốt. Ngoài ra, có so sánh với bộ điều khiển PID cổ điển để chứng minh rằng ứng dụng điều khiển PID mờ cho đáp ứng tốt hơn. Với phương pháp điều khiển này có hiệu quả không chỉ cho các thiết bị truyền động thủy lực, mà còn cho các hệ thống điều khiển khác.
Shibly Ahmed AL-Samarraie và công sự [57], Shuo Kang và cộng sự [58] đã công bố về mô phỏng phương pháp điều khiển theo chế độ trượt cho hệ thống thủy lực với tải thay đổi tuyến tính. Kết quả mô phỏng cho thời gian đáp ứng nhanh ở giá trị tải cài đặt ổn định. Hongchul Kim và cộng sự [33] đã công bố kết quả về điều khiển vận động của bộ xương ngoài (nhân tạo) chi dưới truyền động bằng thủy lực, ứng dụng trong phục hồi chức năng chi dưới. Phạm vi chuyển động của bộ xương ngoài và công suất của hệ thủy lực được xác định bằng cách phân tích dữ liệu đi bộ của con người, trong đó có sử dụng thiết bị chụp và đo lực ép.
Để xác minh tính hiệu quả của các thuật toán điều khiển vận động, các thí nghiệm đi bộ được thực hiện trên máy chạy bộ, ở tốc độ 4 km/h, trong khi mang tải trọng 45 kg (ba lô nguồn truyền động và điều khiển). Gang Shen và công sự [28] đã công bố điều khiển tải trọng khi ứng dụng bộ điều khiển thích nghi. Kết quả điều khiển tải cho đáp ứng tốt hơn khi điều khiển bằng bộ PI cổ điển. Tài liệu [10], [24] đã công bố tổng quan về hệ thủy lực điều khiển tải trọng (lực nếu là chuyển động thẳng hoặc mô men xoắn nếu là chuyển động quay): Đối với hệ thủy lực điều khiển tải trọng, ngoài việc dùng các loại cảm biến để đo trực tiếp thì có thể đo gián tiếp thông qua áp suất làm việc.
Để điều khiển tải 9 trọng theo áp suất thì thực hiện thông qua sơ đồ nguyên lý hình 1.1a với xilanh có kết cấu không đối xứng; Hình 1.1b với xilanh có kết cấu đối xứng; Hình 1.1c với động cơ kết cấu đối xứng. Sơ đồ điều khiển theo áp suất [10] a) Dùng 2 cảm biến áp suất; b,c) Dùng 1 cảm biến áp suất Mạch điều khiển theo tải trọng có hệ số khuếch đại được xác định: KVP = GAGSVGXHP (s-1) (1.1) Sai số điều khiển ở chế độ xác lập bị ảnh hưởng bởi: - Sự rò dầu từ van đến cơ cấu chấp (xilanh hoặc động cơ thủy lực); - Hiện tượng từ trễ, sự chuyển đổi vị trí của con trượt và sự trượt đặc tính khi đảo chiều con trượt; - Sự chuyển động của cơ cấu chấp hành (tịnh tiến của xilanh hoặc quay của động cơ thủy lực). Các sai số áp suất do các nguyên nhân trên gây ra được xác định như sau: + Sai số áp suất do van bị rò dầu (pD): 10 Q C H p AB p D 2.2) A K VP p s Q C pAB Hoặc: p D 2.